高中物理趣味“字形”習(xí)題的評(píng)析

戴耀中 陳毅鳳 陳振宇

2008年北京奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式上，“和”字模塊從篆體到宋體極有韻律地演變著，向世界展現(xiàn)漢字的魅力，表達(dá)傳統(tǒng)文化最核心的理念，傳遞現(xiàn)代文明極豐富的信息。我們震撼之余，不禁聯(lián)想到課題研究?jī)?nèi)容中“趣味性練習(xí)設(shè)計(jì)的應(yīng)用與效果”，不是也常遇到一類相關(guān)“字形”的物理問(wèn)題嗎？它們既精彩又有意義。下面就此簡(jiǎn)要談一談，相信這不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和興趣，還可以激勵(lì)學(xué)生思考和應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)。

一、探究“字形”，扣人心弦。

例1.為什么閃電會(huì)從天而降，又為什么閃電通常是“之”字或“人”字形？

解析：美國(guó)國(guó)家氣象局的內(nèi)譯特·賴德?tīng)栒J(rèn)為，每當(dāng)暴風(fēng)雨來(lái)臨，雨點(diǎn)即能獲得額外的電子。電子是帶負(fù)電的，這些電子會(huì)追尋地面上的正電荷。額外的電子流出云層后要碰撞別的電子，使別的電子也變成游離電子，因而產(chǎn)生了傳導(dǎo)的軌跡。傳導(dǎo)的軌跡會(huì)在空中散布著的不規(guī)則形狀的帶電離子群中間跳躍著迂回延伸。還有學(xué)者從視覺(jué)、能量粒子受干擾、能量通道發(fā)生變化等加以解釋。

點(diǎn)評(píng)：該題在課標(biāo)實(shí)驗(yàn)教材物理1（必修）第一章《緒論》（圖1-3）中提問(wèn)過(guò)，“從自然界的問(wèn)題開(kāi)始”，就如此驚天動(dòng)地和神秘，可謂用隆重而夢(mèng)幻般的儀式把學(xué)生迎進(jìn)物理學(xué)的殿堂。又如①古羅馬有一條水道叫阿克瓦·馬爾齊亞，全長(zhǎng)100km，但是水道兩端之間的直線距離只有該數(shù)值的一半；只因那時(shí)候工程師對(duì)“U”形管連通器的原理只有極模糊認(rèn)識(shí)，竟多造了50km長(zhǎng)的石頭工程。②我國(guó)詹天佑設(shè)計(jì)的“人”字形鐵路卻讓世界鐵路業(yè)走向一個(gè)新的臺(tái)階。③美籍華裔諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中，把他發(fā)現(xiàn)的新粒子取名為J粒子，“J”和“丁”字形相近，寓意這是中國(guó)人發(fā)現(xiàn)的粒子……這些天上地下、古今中外的物理相關(guān)“字形”趣談，會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣，情感態(tài)度與價(jià)值觀得到升華，也渴望探索其中奧秘。

二、創(chuàng)設(shè)“字形”，引人入境。

例2.（08山東）某興趣小組設(shè)計(jì)了如圖1所示的玩具軌道，其中“2008”四個(gè)等高數(shù)字用內(nèi)壁光滑的薄壁細(xì)圓管彎成，固定在豎直平面內(nèi)（所有數(shù)字均由圓或半圓組成，圓半徑比細(xì)管的內(nèi)徑大得多），底端與水平地面相切。彈射裝置將一個(gè)小物體（可視為質(zhì)點(diǎn)）以V=5m/s的水平初速度由a點(diǎn)彈出，從b點(diǎn)進(jìn)入軌道，依次經(jīng)過(guò)“8002”后從p點(diǎn)水平拋出。小物體與地面ab段間的動(dòng)摩擦因素μ=0.3，不計(jì)其他機(jī)械能損失。已知ab段長(zhǎng)L=1.5m，數(shù)字“0”的半徑R=0.2m，小物體質(zhì)量m=0.01kg，g=10m/s。求：1.小物體從p點(diǎn)拋出后的水平射程。2.小物體經(jīng)過(guò)數(shù)字“0”的最高點(diǎn)時(shí)管道對(duì)小物體作用力的大小和方向。

解析：略。（答：1.0.8m；2.0.3N，豎直向下）

點(diǎn)評(píng)：在新課程理念下的高考強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生領(lǐng)悟物理思想和方法、體驗(yàn)探究過(guò)程、感受物理學(xué)的美妙。本題的“2008”字形，與奧運(yùn)主題相呼應(yīng)，一下子把考生帶入特定的“時(shí)空隧道”。以新鮮別致的情境設(shè)置，舒緩了考生緊張情緒，激發(fā)了考生解題潛能。同時(shí)還將勻變速直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)三種高中物理中典型的運(yùn)動(dòng)模型相結(jié)合，巧妙地把“科學(xué)性、趣味性、考查性融為一體”，不失為一道好題。值得一提的是，物理試題還常引用“十”字形來(lái)設(shè)置情境。如①上海市第16屆初中物理物理競(jìng)賽復(fù)賽試題第18大題。②十字路口等候綠燈亮?xí)r，自行車與汽車的“追及問(wèn)題”。

三、變換“字形”，發(fā)人深省。

例3.如圖2所示，在繞制變壓器時(shí)，某人誤將兩個(gè)線圈繞在圖示變壓器鐵芯的左右兩上臂上，當(dāng)通以交流電時(shí)，每個(gè)線圈產(chǎn)生的磁通量都只有一半通過(guò)另一個(gè)線圈，另一半通過(guò)中間的臂。已知線圈1、2的匝數(shù)之比N∶N=2∶1，在不接負(fù)載的情況下（）

A.當(dāng)線圈1輸入電壓220V時(shí)，線圈2輸出電壓為110V

B.當(dāng)線圈1輸入電壓220V時(shí)，線圈2輸出電壓為55V

C.當(dāng)線圈2輸入電壓110V時(shí)，線圈1輸出電壓為220V

D.當(dāng)線圈2輸入電壓110V時(shí)，線圈1輸出電壓為110V

解析：當(dāng)線圈1作為輸入端時(shí)，===×=，因?yàn)閁=220V，所以U=55V。當(dāng)線圈2作為輸入端時(shí)；同理可得U′=110V。故選B、D。

點(diǎn)評(píng)：我們經(jīng)常使用的變壓器公式是針對(duì)“口”字形變壓器推出的，但變壓器的鐵芯已變換成“日”字形，應(yīng)根據(jù)變壓器的工作原理推導(dǎo)出新的公式，切忌盲目套用公式。在教學(xué)過(guò)程中若能巧妙抓住時(shí)機(jī)，變換設(shè)疑因勢(shì)利導(dǎo)，將有助于開(kāi)啟學(xué)生思緒，在學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”較大限度地引發(fā)學(xué)生思維。

四、拓展“字形”，耐人尋味。

例4.（07海南改編）如圖3，在大氣中有一水平放置的固定圓筒，它由a、b和c三個(gè)粗細(xì)不同的部分連接而成，各部分的橫截面積分別為4S、S和2S。已知大氣壓強(qiáng)為P，溫度為T。兩活塞A和B用一根長(zhǎng)為4L的不可伸長(zhǎng)的輕線相連，把溫度為T的空氣密封在兩活塞之間，此時(shí)兩活塞的位置如圖所示?，F(xiàn)對(duì)被密封的氣體加熱，使其溫度緩慢上升到T。若活塞與圓筒壁之間的摩擦可忽略，此時(shí)兩活塞之間氣體的壓強(qiáng)可能為多少？

例5.（11海南）如圖4，ab和cd是兩條豎直放置的長(zhǎng)直光滑金屬導(dǎo)軌，MN和M′N′是兩根用細(xì)線連接的金屬桿，其質(zhì)量分別為m和2m。豎直向上的外力F作用在桿MN上，使兩桿水平靜止，并剛好與導(dǎo)軌接觸；兩桿的總電阻為R，導(dǎo)軌間距為l。整個(gè)裝置處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌所在平面垂直。導(dǎo)軌電阻可忽略，重力加速度為g。在t=0時(shí)刻將細(xì)線燒斷，保持F不變，金屬桿和導(dǎo)軌始終接觸良好。求：（1）細(xì)線少斷后，任意時(shí)刻兩桿運(yùn)動(dòng)的速度之比；（2）兩桿分別達(dá)到的最大速度。

解析：略。（例4答：T＜T時(shí)，p=p；T≥T時(shí)，p=·p；例5答：2和v=，v=）

點(diǎn)評(píng)：例4、例5兩道試題看似風(fēng)馬牛不相及，可確有“異曲同工”之妙。其特點(diǎn)是，由“細(xì)繩”“輕桿”連接兩物體（活塞或金屬棒等），組成倒“工”字或類似倒“工”字形的結(jié)構(gòu)。又如09年江蘇卷第15題；08年廣東卷第18題，這在“熱學(xué)氣缸類問(wèn)題”、“電磁學(xué)導(dǎo)軌類問(wèn)題”中還是較常見(jiàn)的。一般采用“整體法”與“隔離法”求解：隔離物體受力分析或隔離運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析后，再整體綜合分析，從而迅速尋找到解題的“切入點(diǎn)”，注意過(guò)程過(guò)渡的“關(guān)鍵點(diǎn)”，利用條件、定律、定理等列式；再通過(guò)演算即得結(jié)果，給人一種拾階而上、水到渠成的感覺(jué)。

項(xiàng)目支撐：南安市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃（第一批）立項(xiàng)課題，序號(hào)NG1251-076。