芻議物理習(xí)題的教育功能

居海軍

(江陰市青陽(yáng)中學(xué),江蘇江陰 214401)

學(xué)習(xí)物理離不開(kāi)物理習(xí)題的訓(xùn)練,物理教學(xué)中的習(xí)題是學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí),消化物理規(guī)律的重要載體.教師應(yīng)在習(xí)題教學(xué)和訓(xùn)練過(guò)程中應(yīng)滲透著對(duì)學(xué)生適應(yīng)社會(huì)生存和發(fā)展能力的培養(yǎng),發(fā)展學(xué)生的科學(xué)、人文素質(zhì),培養(yǎng)良好的科學(xué)品質(zhì)和樹(shù)立安全環(huán)保意識(shí).物理習(xí)題教學(xué)應(yīng)當(dāng)以提高和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和能力為中心,陶冶學(xué)生的人格和性情,符合時(shí)代發(fā)展的需要.

1 樹(shù)立學(xué)生科學(xué)的世界觀和人生觀

物理學(xué)發(fā)展是人類孜孜以求探索自然規(guī)律,從蒙昧無(wú)知到科學(xué)理性的過(guò)程,凝聚著人類無(wú)數(shù)的汗水和辛酸.在習(xí)題教學(xué)中不忘對(duì)學(xué)生進(jìn)行情感、價(jià)值觀教育,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和人文精神同步發(fā)展.前人的創(chuàng)新過(guò)程和創(chuàng)新方法在物理習(xí)題中加以反映,使學(xué)生感受前人的創(chuàng)新的情景,從前人的得失中感受科學(xué)的魅力及前人的頑強(qiáng)的探索奉獻(xiàn)精神、不屈不撓的堅(jiān)強(qiáng)意志,適時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的世界觀和人生觀培養(yǎng).

例1.1831年10月28日,法拉第在一次會(huì)議上展示了他發(fā)明的圓盤發(fā)電機(jī).它是利用電磁感應(yīng)原理制成的,是人類歷史上的第一臺(tái)發(fā)電機(jī).據(jù)說(shuō),在法拉第表演他的圓盤發(fā)電機(jī)時(shí),一位貴婦人問(wèn)道:“法拉第先生,這東西有什么用呢?”法拉第答道:“夫人,一個(gè)剛出生的嬰兒有什么用呢?”圖1所示是這個(gè)圓盤發(fā)電機(jī)的示意圖,銅盤安裝在水平的銅軸上,它的邊緣正好在兩磁極之間,兩塊銅片 C、D分別與轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銅盤的邊緣接觸.使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng),電阻R上就有電流流過(guò).

(1)說(shuō)明圓盤發(fā)電機(jī)的原理.

(2)圓盤如圖示方向轉(zhuǎn)動(dòng),請(qǐng)判斷通過(guò)R的電流方向.

解析:略.

小結(jié):法拉第一生熱愛(ài)真理,熱愛(ài)人民,真誠(chéng)質(zhì)樸,作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn).他那種堅(jiān)定的信念,十年磨一劍的毅力,不斷追求科學(xué)真理的大無(wú)畏精神;那種一切從客觀實(shí)踐出發(fā),重視科學(xué)實(shí)驗(yàn)的唯物主義態(tài)度;以及他不盲目崇拜權(quán)威,不囿于傳統(tǒng)觀念,敢于提出獨(dú)特見(jiàn)解的創(chuàng)新精神,體現(xiàn)了一個(gè)科學(xué)家的優(yōu)秀品格,永遠(yuǎn)值得后人學(xué)習(xí)和敬仰.在習(xí)題教學(xué)中適時(shí)地用法拉第的人生故事激勵(lì)熏陶學(xué)生,幫助學(xué)生樹(shù)立科學(xué)的世界觀和人生觀.

圖1

2 激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)主義情感

隨著我國(guó)的教育、科研的發(fā)展,我國(guó)科技生產(chǎn)力得到了空前的發(fā)展,“神州7號(hào)”飛船遨游外太空、“殲十”縱橫大江南北以及在60周年國(guó)慶上展示出來(lái)的軍事、科技、文化發(fā)展無(wú)一不與物理知識(shí)相關(guān).很多新的科學(xué)技術(shù)就是從物理習(xí)題中轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)力,一些我國(guó)最新的科研成果也出現(xiàn)在物理習(xí)題中,我們能夠從中深刻地感受到祖國(guó)的強(qiáng)大,以學(xué)好物理更好地報(bào)效偉大的祖國(guó).下面例題就是一道很好向?qū)W生展示我國(guó)國(guó)防實(shí)力的習(xí)題.

例2.據(jù)報(bào)道,經(jīng)過(guò)多年的研究,我國(guó)超高速電磁炮的研制已經(jīng)到了最后階段,不久將問(wèn)世.電磁炮的原理是利用電磁力推動(dòng)彈頭達(dá)到每秒幾十公里的超高速狀態(tài),常規(guī)武器望塵莫及.其原理如圖2所示,炮彈(可視為長(zhǎng)方形導(dǎo)體)置于兩固定的平行導(dǎo)軌之間,并與軌道壁密接.開(kāi)始時(shí)炮彈在軌道的一端,通以電流后炮彈會(huì)被磁力加速,最后從位于導(dǎo)軌另一端的出口高速射出.設(shè)兩導(dǎo)軌之間的距離 d=0.10 m,導(dǎo)軌長(zhǎng) L=5.0 m,炮彈質(zhì)量 m=0.30 kg.導(dǎo)軌上的電流I的方向如圖中箭頭所示.可認(rèn)為,炮彈在軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),它所在處磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為B=2.0 T,方向垂直于紙面向里.若炮彈出口速度為 v=2.0×103m/s,求通過(guò)導(dǎo)軌的電流 I.忽略摩擦力與重力的影響.

圖2

3 提高學(xué)生感受美、鑒賞美的能力

法國(guó)著名雕塑家羅丹曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“美是到處都有的.對(duì)于我們的眼睛,不是缺少美,而是缺少發(fā)現(xiàn)”.物理學(xué)包含的內(nèi)容是真實(shí)的、生動(dòng)的、美好的,它本身充滿著情趣.在物理習(xí)題中,同樣存在著自然之美.只要我們留心去觀察,就會(huì)發(fā)現(xiàn)物理習(xí)題中簡(jiǎn)單美、和諧美、對(duì)稱美、規(guī)律美、圖像美、實(shí)驗(yàn)美,美不勝收.物理習(xí)題中的美育對(duì)于增加學(xué)生的學(xué)習(xí)情趣,培養(yǎng)學(xué)生感受美、鑒賞美的能力有著積極的促進(jìn)作用.

例3.如圖3兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極,外電極接地,其上均勻分布著平行于軸線的 4條狹縫 a,b,c和d,外筒的外半徑為r0,在圓筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,在兩極間加上電壓,使兩圓筒之間的區(qū)域內(nèi)有沿半徑向外的電場(chǎng).一質(zhì)量為 m,帶電荷量為+q的粒子,從緊靠?jī)?nèi)筒且正對(duì)狹縫 a的S點(diǎn)出發(fā),初速為0.如果該粒子經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后恰好又回到出發(fā)點(diǎn)S,則兩電極之間的電壓U應(yīng)是多少?(不計(jì)重力,整個(gè)裝置在真空中)

圖3

解析:帶電粒子從 S點(diǎn)出發(fā),在兩筒之間的電場(chǎng)力作用下加速,沿徑向穿出a而進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域在洛倫茲力作用下做圓周運(yùn)動(dòng),粒子再回到 S點(diǎn)的條件是能依次沿徑向穿過(guò)狹縫d,c,b.在各狹縫中粒子在電場(chǎng)力作用下先減速,再反向加速,然后重新進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域,如圖4所示,設(shè)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)時(shí)的速度為v,根據(jù)能量守恒有設(shè)粒子在洛倫茲力作用下做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為 R,由洛倫茲力公式和牛頓定律得.粒子從a到d必須經(jīng)過(guò)圓周,所以半徑R必定等于筒的外半徑r0,即 R=r0,由以上各式解得

圖4

小結(jié):該粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡猶如一朵綻放的梅花,給枯燥的習(xí)題訓(xùn)練帶來(lái)陣陣清香.從某種意義上講,物理學(xué)的每一次重大突破都有美學(xué)思想在其中的體現(xiàn).用美的思想去審題,從美的角度去分析和解決問(wèn)題,將給人耳目一新的感覺(jué).

4 發(fā)展學(xué)生的思維和能力

全球化社會(huì)的發(fā)展要求人們具備開(kāi)放性思維與創(chuàng)新思維,各國(guó)的課程改革都強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性與開(kāi)放性思維的培養(yǎng).創(chuàng)新思維是創(chuàng)新能力的核心,是人類最高層次的思維方法.學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),是當(dāng)前物理教學(xué)改革的重點(diǎn).在物理習(xí)題的教學(xué)和訓(xùn)練中通過(guò)對(duì)多題一解發(fā)展學(xué)生聚合性思維、一題多解發(fā)展學(xué)生的發(fā)散性思維、從果到因發(fā)展學(xué)生的逆向思維等,讓學(xué)生練習(xí)有梯度而且能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維的試題,變式訓(xùn)練、層層推進(jìn),培養(yǎng)創(chuàng)新思維加強(qiáng)能力訓(xùn)練,逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

例4.如圖5所示,小球從樓梯上以2 m/s的速度水平拋出,所有臺(tái)階的高度和寬度均為0.25 m,取 g=10 m/s2,小球拋出后首先落到的臺(tái)階是

圖5

(A)第1級(jí)臺(tái)階.

(B)第2級(jí)臺(tái)階.

(C)第3級(jí)臺(tái)階.

(D)第4級(jí)臺(tái)階.

解析:設(shè)小球從樓梯上以2 m/s的速度水平拋出將落在第 n級(jí)臺(tái)階上,每級(jí)臺(tái)階高度和寬度都為 L=0.25 m,則小球下降的高度為h=nL

解得3.2＜n＜5,n取整數(shù),n=4,所以小球落在第4級(jí)臺(tái)階上.

小結(jié):實(shí)際上這道題目有4、5種解題方法,課堂上充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,讓學(xué)生進(jìn)行一題多解,提高解題技巧及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,增強(qiáng)思維的靈活性、變通性和創(chuàng)新性.在習(xí)題設(shè)置和教學(xué)中應(yīng)選擇能夠鍛煉學(xué)生思維的一類題目,如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、知識(shí)綜合等類型的習(xí)題,從多角度訓(xùn)練學(xué)生的思維方式.

5 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的思想

物理知識(shí)與實(shí)際生活、科技發(fā)展、社會(huì)環(huán)境密不可分,涉及了人類生活的整個(gè)空間.物理課程改革的理念就是要引導(dǎo)學(xué)生“從生活走向物理,從物理走向社會(huì)”.要將物理知識(shí)和生活體驗(yàn)緊密地聯(lián)系起來(lái),學(xué)以致用,用實(shí)踐去檢驗(yàn)所學(xué)的知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決問(wèn)題的思維和能力.

例5.從物理現(xiàn)象判斷,噪聲通常是不規(guī)則或隨機(jī)的聲音信號(hào),由于聲波是一種機(jī)械波,因此它具有波的特性,且當(dāng)兩列聲波滿足相干條件時(shí),將會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象,引起能量在空間的重新分布,因此,利用人為聲源使其產(chǎn)生的聲音與噪聲發(fā)生相消性疊加,則會(huì)產(chǎn)生靜區(qū),從而達(dá)到降低噪音的目的.消除噪聲污染是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要課題,內(nèi)燃機(jī)、通風(fēng)機(jī)等在排放各種高速氣流的過(guò)程中都會(huì)發(fā)出噪聲,干涉型消聲器即可用來(lái)削弱高速氣流產(chǎn)生的噪音,其結(jié)構(gòu)及氣流運(yùn)行如圖6所示,該消聲器產(chǎn)生的波長(zhǎng)為λ的聲波沿水平管道自左向右傳播,在聲波到達(dá)a處時(shí)分成兩束相干波,分別通過(guò) r1和r2路徑后在b點(diǎn)處相遇,即可達(dá)到削弱噪聲的目的.若Δr=r2-r1,則Δr等于

圖6

(A)波長(zhǎng) λ的整數(shù)倍.

(B)波長(zhǎng)λ的奇數(shù)倍.

解析:兩列波頻率相同、相位差恒定的機(jī)械波相遇時(shí),產(chǎn)生干涉從而相消的條件是:兩列波的波程差必須是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍.對(duì)于消聲器來(lái)說(shuō),聲波到達(dá)a處時(shí)分成兩束相干波再在b處相遇,要達(dá)到削弱噪聲的目的,兩列波的波程差必須是半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍,因此選(C).抗眩太陽(yáng)鏡鏡片、近視眼鏡鏡片的鍍膜等都是利用同樣的原理.

6 增強(qiáng)學(xué)生的安全意識(shí)

物理習(xí)題中蘊(yùn)藏豐富的安全教育資源,如用電安全、交通安全、運(yùn)動(dòng)安全等等都是物理習(xí)題和生活中易見(jiàn)的情形.很多物理習(xí)題中滲透安全意識(shí)教育的因素,只要我們充分利用、有效挖掘,在習(xí)題教學(xué)中滲透給學(xué)生安全意識(shí),使學(xué)生防患于未然,有效防止各種危險(xiǎn)情況的發(fā)生.

例6.人從一定的高度落地容易造成骨折.一般人脛骨的極限抗壓強(qiáng)度約為1.5×108N/m2,脛骨最小橫截面積大多為3.2 cm2.假若一質(zhì)量為50 kg的人從某一高度直膝雙足落地,落地時(shí)其重心又下降約1 cm.試計(jì)算一下這個(gè)高度超過(guò)多少時(shí),就會(huì)導(dǎo)致脛骨骨折.(g取10 m/s2)

解析:由題意知,脛骨最小處所受沖擊力超過(guò)F=1.5×108×2×3.2×10-4N=9.6×104N時(shí)會(huì)造成骨折.

設(shè)下落的安全高度為 h1,觸地時(shí)重心又下降高度為h2,落地者質(zhì)量為 m,落地速度為 v,與地碰撞時(shí)間為Δt,由動(dòng)能定理有 mg(h1+h2)-Fh2=0,所以h2,代入數(shù)據(jù)得

小結(jié):校園安全事故屢見(jiàn)不鮮,火災(zāi)、觸電、運(yùn)動(dòng)受傷甚至死亡時(shí)有發(fā)生.教師在教書(shū)育人的同時(shí)時(shí)刻不忘安全教育,及時(shí)提醒,同時(shí)還要借助物理習(xí)題,物理情景的分析,讓學(xué)生知曉什么情況下是危險(xiǎn)的,不同程度的危險(xiǎn)級(jí)別,使學(xué)生知其然還要知其所以然,及時(shí)地做到自我保護(hù).

7 引導(dǎo)學(xué)生的節(jié)能環(huán)保觀念

發(fā)揮物理學(xué)科優(yōu)勢(shì),寓環(huán)保教育于物理習(xí)題教育之中,在習(xí)題教學(xué)中見(jiàn)縫插針,有意識(shí)地進(jìn)行環(huán)境教育滲透,如靜電除塵、廢水處理、“熱島效應(yīng)”、“客運(yùn)效率”、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能開(kāi)發(fā)等習(xí)題中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行節(jié)水、節(jié)能、防污染等環(huán)境教育.

例7.環(huán)保汽車為2008年奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館服務(wù).某輛以蓄電池為驅(qū)動(dòng)能源的環(huán)保汽車,總質(zhì)量m=3×103kg.當(dāng)它在水平路面上以v=36 km/h的速度勻速行駛時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入電流 I=50 A,電壓 U=300 V.在此行駛狀態(tài)下

(1)求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入功率 P電.

(2)若驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠?qū)⑤斎牍β实?0%轉(zhuǎn)化為用于牽引汽車前進(jìn)的機(jī)械功率P機(jī),求汽車所受阻力與車重的比值(g取10 m/s2).

(3)設(shè)想改用太陽(yáng)能電池給該車供電,其他條件不變,求所需的太陽(yáng)能電池板的最小面積.結(jié)合計(jì)算結(jié)果,簡(jiǎn)述你對(duì)該設(shè)想的思考.

已知太陽(yáng)輻射的總功率P0=4×1026W,太陽(yáng)到地球的距離r=1.5×1011m,太陽(yáng)光傳播到達(dá)地面的過(guò)程中大約有30%的能量損耗,該車所用太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為15%.

解析:略.

小結(jié):物理習(xí)題中能量守恒思想是最重要的思想之一,由于能量耗散,雖然能量在數(shù)量上并未減少,但在可利用的品質(zhì)上降低了,從便于利用的能源變成不便利用的能源,這就是能源危機(jī)的深層含義,再加上當(dāng)今人們開(kāi)采和利用的都是非再生的化石能源,只會(huì)日益短缺,所以在習(xí)題教學(xué)中幫助學(xué)生樹(shù)立節(jié)能意識(shí),當(dāng)然研制和開(kāi)發(fā)新能源是能源開(kāi)發(fā)和利用的必由之路.