重溫課本看圖說話 回歸教材原型啟發(fā)

湖北 許 文

隨著新課程改革的不斷推進，近幾年來，全國卷試題的難度逐年降低，試卷以容易和中等難度試題為載體，覆蓋課本中經(jīng)典物理的重要基礎(chǔ)知識與基本方法，主要考查學(xué)生對物理學(xué)基礎(chǔ)知識的理解和基本技能的掌握與運用，在理解基本概念與基本規(guī)律的過程中感悟和體驗物理學(xué)的基本方法以及知識的形成過程，樹立起對科學(xué)、社會、人類正確的情感態(tài)度與價值觀。試卷中直接來自課本插圖中的內(nèi)容，如物理學(xué)史、思想方法、科技成果等改編的試題占比逐年增加。因此，我們在高考復(fù)習(xí)備考的最后階段，重溫課本、回歸教材、看圖說話，讓課本插圖成為原型啟發(fā)，顯得越來越重要。如何針對不同類型的插圖進行看圖說話與原型啟發(fā)，本文通過典型實例探討。

一、經(jīng)典物理史學(xué)類插圖

課本中經(jīng)典物理史學(xué)類插圖，除了展現(xiàn)物理學(xué)史的教育價值外，往往還蘊含著豐富的物理學(xué)思想與方法，會給人們帶來很多啟迪。對這類插圖要能夠說出圖中的物理思想與方法，并結(jié)合已有的知識進行分析，如伽利略通過斜面實驗研究自由落體運動、法拉第對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究等。

物理史學(xué)類插圖說話要點伽利略研究自由落體運動規(guī)律時設(shè)計了斜面實驗,斜面起到了“沖淡”重力的作用,便于利用滴水計時記錄銅球運動的時間。他通過斜面實驗進行合理外推,得出自由落體是一種勻變速直線運動的結(jié)論伽利略創(chuàng)造性地把實驗、假設(shè)和邏輯推理相結(jié)合的科學(xué)方法,有力地促進了人類科學(xué)認識的發(fā)展。此實驗可以得到的最直接的結(jié)論:如果斜面光滑,小球靜止?jié)L下后將沿另一斜面上升到與O點等高的位置法拉第發(fā)明的圓盤發(fā)電機是人類歷史上第一臺發(fā)電機,它是利用電磁感應(yīng)的原理制成的,是一臺直流發(fā)電機。銅盤可看成由很多金屬輻條組成。當(dāng)銅盤勻速旋轉(zhuǎn)時,輻條切割磁感線,產(chǎn)生大小與方向均不變的感應(yīng)電動勢,電路中形成恒定電流

【例1】如圖1所示，紫銅做的圓盤水平放置在豎直向下的勻強磁場中，圓盤圓心處固定一個搖柄，邊緣和圓心處各與一個黃銅電刷緊貼，用導(dǎo)線將電刷與電流表連接起來形成回路。轉(zhuǎn)動搖柄，使圓盤逆時針勻速轉(zhuǎn)動(自上向下看)。則下列說法正確的是

( )

圖1

A．電流表的示數(shù)為零

B．電流表指針將左右周期性擺動

C．電流表示數(shù)不變，電流從b導(dǎo)線流進電流表

D．若圓盤轉(zhuǎn)動的角速度變?yōu)樵瓉淼?倍，則電流表指針的最大偏角也是原來的2倍

【解析】此題容易形成兩種錯解。錯解一，不論圓盤怎樣轉(zhuǎn)動，回路中的磁通量不變，不產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，電流表示數(shù)為零，選A；錯解二，圓盤轉(zhuǎn)動切割磁感線做周期性運動，因此回路中感應(yīng)電流方向產(chǎn)生周期性變化，因而電流表指針將左右周期性擺動，選B。以上兩種錯解的原因都是沒有正確建立法拉第圓盤發(fā)電機的物理模型。

【答案】CD

【點評】本題以法拉第發(fā)明的人類歷史上第一臺發(fā)電機為背景，考查電磁感應(yīng)現(xiàn)象的理解與建模。當(dāng)圓盤勻速旋轉(zhuǎn)時，所有這些相同的幅條(電源)并聯(lián)。對回路中電流大小的分析，要利用法拉第電磁感應(yīng)定律與閉合電路的歐姆定律，通過導(dǎo)出相關(guān)的表達式來進行。法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，實現(xiàn)了“電”與“磁”的第二次握手，是物理學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑。本題通過教材插圖的改編，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注重要的物理學(xué)史，對插圖進行聯(lián)想與說明。這既是對物理學(xué)史的考查，也是對電磁感應(yīng)知識的綜合考查。我們在回歸教材時，既要重視對物理基本概念、基本規(guī)律、基本思想及研究方法的理解，又要關(guān)注與教材內(nèi)容相關(guān)的、對人類發(fā)展和社會進步具有重大意義的史料，認識物理學(xué)史的人文價值，關(guān)注這些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理概念和規(guī)律的歷史背景、研究過程及相關(guān)實驗的思想與方法。通過對重要的物理學(xué)史與方法的深入思考，運用基本物理知識和基本技能解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)科能力和科學(xué)素養(yǎng)，加強知識的有效整合。

二、典型物理實驗類插圖

課本中實驗類插圖，有演示實驗、探究實驗與設(shè)計實驗。實驗類插圖不僅展現(xiàn)了實驗的設(shè)計方案與實驗手段，還蘊含著實驗原理與方法，讓人感嘆實驗的設(shè)計技巧。對這類插圖既要說出實驗現(xiàn)象與結(jié)論，還要說出實驗原理與方法，分析實驗現(xiàn)象，將實驗結(jié)論遷移與應(yīng)用，如驗證機械能守恒定律、探究平行板電容器電容與哪些因素有關(guān)等實驗。

物理實驗類插圖說話要點將一單擺向左拉至水平標志線上,從靜止釋放,當(dāng)擺球運動到最低點時,擺線碰到障礙物,擺球繼續(xù)向右擺動。這個實驗說明了動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化過程中機械能守恒;擺球經(jīng)過最低點時,線速度不變,半徑減小,擺線張力變大研究影響平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān),實驗條件是平行板電容器帶電量Q不變;靜電計指針張角θ隨電容器兩板間電勢差U的增大而增大,反之亦然;反推實驗現(xiàn)象關(guān)于θ的變化,可通過結(jié)論C=εS4πkd與C=QU 進行分析密立根通過油滴實驗準確地測定了電子的電荷量。若平行板電容器兩板間電壓為U,板的間距為d,質(zhì)量為m的帶電油滴在兩板間靜止時有mg=qUd,則可求出油滴電荷量;減小極板間電壓,油滴將向下加速運動;將下極板向下緩慢移動一小段距離,油滴將向下加速運動

續(xù)表

【例2】如圖3所示，真空中有一平行板電容器，兩極板分別用鋅板和銅板制成(鋅板和銅板的截止頻率分別為ν1和ν2，且ν1<ν2)，兩板的面積均為S，板間距為d。鋅板與靈敏靜電計相連，鋅板和銅板原來都不帶電。現(xiàn)用頻率為ν(ν1<ν<ν2)的單色光持續(xù)照射兩板內(nèi)表面，假設(shè)光電子全部到達另一極板，則電容器的最終帶電荷量Q正比于

( )

圖3

【答案】D

【點評】此題是對課本中光電效應(yīng)實驗與研究平行板電容器電容實驗的整合改編。分析求解時要求準確地描述實驗現(xiàn)象以及現(xiàn)象發(fā)生的條件，并能對實驗現(xiàn)象進行合理地解釋。關(guān)鍵是要把握實驗原理，培養(yǎng)探索創(chuàng)新的意識和對知識的遷移應(yīng)用能力。

【例3】在“用圓錐擺驗證向心力的表達式”實驗中，如圖4中甲所示，懸點剛好與一個豎直的刻度尺零刻度線對齊。將畫著幾個同心圓的白紙置于水平桌面上，使鋼球靜止時剛好位于圓心正上方。用手帶動鋼球，設(shè)法使它在空中做勻速圓周運動，通過俯視觀察發(fā)現(xiàn)其做圓周運動的半徑為r，鋼球的質(zhì)量為m，重力加速度為g。

圖4

(1)用秒表記錄運動n圈的總時間為t，那么小球做圓周運動中需要的向心力表達式為________；

(2)通過刻度尺測得小球軌道平面距懸點的高度為h，那么小球做圓周運動中外力提供的向心力表達式為Fn=________；

【點評】本題根據(jù)課本中向心力的探究實驗插圖進行改編，還原物理實驗應(yīng)有的價值，圍繞插圖說實驗原理、方法與過程，強調(diào)動手實踐能力和創(chuàng)新能力，啟發(fā)我們在生活中要學(xué)以致用，養(yǎng)成利用身邊的事物巧妙設(shè)計實驗、探究物理規(guī)律的習(xí)慣，在學(xué)習(xí)物理知識的過程中培養(yǎng)科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)，重視創(chuàng)新精神及實踐能力。

三、科技成果應(yīng)用類插圖

課本中科技成果應(yīng)用類插圖，有的是關(guān)于重要的技術(shù)突破，有的則是最新科技成果的展現(xiàn)。這些插圖，反映了物理學(xué)在推動科技發(fā)展與創(chuàng)新、促進生產(chǎn)力發(fā)展方面發(fā)揮了巨大作用，體現(xiàn)了知識的應(yīng)用價值。對這類插圖要說出圖中所蘊含的物理知識與方法，并能結(jié)合所學(xué)的物理知識對原理進行適當(dāng)?shù)姆治觯缁匦铀倨?、人造衛(wèi)星的發(fā)射等。

科技應(yīng)用類插圖說話要點在離地面約393 km圓軌道上,我國的“天宮二號”與 “神舟十一號”飛船進行了對接。對接前“神舟十一號”應(yīng)從低軌道加速;對接時兩者的加速度大小相等;對接后兩者的速度小于第一宇宙速度勞倫斯發(fā)明了第一臺回旋加速器,加速條件是交變電壓的周期和粒子做圓周運動的周期相等,粒子在電場中加速,在磁場中回旋。由qvB=mv2r得Ekm=q2B2r22m,粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強度B和D形盒半徑r決定,與加速電壓無關(guān)磁流體發(fā)電機可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能。將一束等離子體以速度v沿垂直磁場方向噴入正對面積為S、板間距離為d的兩平行金屬板A、C間的磁場中,板間便產(chǎn)生電壓。則金屬板C相當(dāng)于電源的正極,電源的電動勢E=Bdv

圖5

【例4】利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件，廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域。如圖5是霍爾元件的工作原理示意圖，磁感應(yīng)強度B垂直于霍爾元件的工作面向下，通入圖示方向的電流I，C、D兩側(cè)面會形成電勢差UCD，下列說法中正確的是

( )

A．電勢差UCD僅與材料有關(guān)

B．若霍爾元件的載流子是自由電子，則電勢差UCD< 0

C．僅增大磁感應(yīng)強度時，電勢差UCD變大

D．在測定地球赤道上方的地磁場強弱時，元件的工作面應(yīng)保持水平

【答案】BC