利用身邊工具解析物理問題

摘要：本文對探究式學(xué)習(xí)的特殊操作方式進(jìn)行了探討，希望對目前的探究式教學(xué)有所啟迪。

關(guān)鍵詞：動態(tài)物理過程 計(jì)算機(jī)模擬 工具的使用 學(xué)具

形象思維是人的頭腦運(yùn)用表象來進(jìn)行思維，而表象是在感知的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。充分利用各種方法對物理事件的展現(xiàn)，能很好地促進(jìn)學(xué)生感覺和知覺發(fā)揮作用，能夠促進(jìn)學(xué)生思維能力的提高。為學(xué)生提供恰當(dāng)?shù)闹庇^材料，幫助學(xué)生能夠順利進(jìn)行物理思維活動，我們首先想到的是用計(jì)算機(jī)模擬，然而如果你是有心人，你會發(fā)現(xiàn)借助身邊的其它工具，用簡單實(shí)驗(yàn)就能清楚顯現(xiàn)物理過程，更方便，更有優(yōu)勢。

一、利用透明尺子

透明直尺是學(xué)生常用的作圖工具。下面就幾個(gè)題目，說明如何借助透明尺子求解動態(tài)物理問題。

例1：簡解橫波某時(shí)刻的波形圖線如圖所示。由此圖可知

（A）若質(zhì)點(diǎn)a向下運(yùn)動，則波是從左向右傳播的

（B）若質(zhì)點(diǎn)b向上運(yùn)動，則波是從左向右傳播的

（C）若波從右向左傳播，則質(zhì)點(diǎn)c向下運(yùn)動

（D）若波從右向左傳播，則質(zhì)點(diǎn)d向上運(yùn)動（97年全國高考試題）

簡解：將一個(gè)透明尺子重疊在圖上，然后用碳素鋼筆在尺子上畫出與原波形重疊的正弦波和橫軸，將重疊的尺子沿x軸做微小的左右移動，以此表示波的左右傳播，因質(zhì)點(diǎn)a、b、c、d垂直于x軸振動，結(jié)合原波形和透明尺子上的波形，即可判斷答案為B、D。

評析：動態(tài)物理問題既是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)也是考試的熱點(diǎn)，機(jī)械波的動態(tài)問題更是難中之難，但這類問題都可以借助透明尺子求解，使透明尺子既是作圖工具，又是“學(xué)具”。

例2：以初速2V₀豎直上拋一物體后，又以初速V₀在同一位置豎直上拋另一物體，若要使兩物體能在空中相遇，兩物體拋出的時(shí)間間隔必須滿足什么條件？

簡解：本題可列運(yùn)動方程求解，但最簡捷的方法是利用S—t圖像和尺子求解。豎直上拋的物體的S—t圖像是一條拋物線，以2V0豎直上拋的物體的S—t圖像如圖線①所示，以V0豎直上拋的物體的S—t圖像如圖線②所示，若要使兩物體能在空中相遇，兩物體的S—t圖線必相交于一點(diǎn)，在尺子上重疊畫出圖線②和橫軸，并從②位置逐漸沿橫軸移動尺子經(jīng)過③、④位置，由圖可知，圖線從③移動到④過程中與①相交，所以兩物拋出的時(shí)間間隔必須滿足的條件：2V0/g<△t<4V0 /g ，兩物體才能在空中相遇 。

評析：從這種方法還可以得到，后拋出物體是在上升過程還是下落過程與先拋出的物體相遇，把尺子上的拋物線從最高點(diǎn)分為左右兩邊，若尺子上的拋物線的右邊和①相交則是下落過程與先拋出的物體相遇，若左邊和①相交則是上升過程與先拋出的物體相遇，而先拋出的物體只能在下落時(shí)與后拋出物體相遇。

二、利用硬幣

若利用硬幣展示與圓周運(yùn)動有關(guān)的動態(tài)物理情景，將會大大降低解題難度，提高解題速度。

例3：如圖所示，在x軸的上方(y≥0)存在著垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場，磁感強(qiáng)度為B，在原點(diǎn)O有一個(gè)離子源向x軸上方的各個(gè)方向發(fā)射出質(zhì)量為m、電量為q的正離子，速率都為V，對那些在xy平面內(nèi)運(yùn)動的離子，在磁場中可能達(dá)到的最大x=_________，最大y=______________。（97年全國高考試題）

簡解：由左手定則可得，帶電粒子沿順時(shí)針做勻速圓周運(yùn)動，其圓周軌道都經(jīng)過O點(diǎn)，可以用一個(gè)圓周邊緣與Ｏ點(diǎn)相交的硬幣在此平面上移動，硬幣在x軸之上的一段圓弧表示運(yùn)動軌跡，可見，帶電粒子可能達(dá)到的最大x、y都為運(yùn)動軌道的直徑D=2mV/qB 。

評析：通過移動硬幣還可以得到，在圓周上距離O點(diǎn)最遠(yuǎn)點(diǎn)的軌跡，它是以O(shè)點(diǎn)為圓心、以硬幣直徑D為半徑的圓周。若某一位置有一擋板，還可以方便地求出粒子打在擋板上的范圍。對于許多以相同速率在同一平面上、且在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動的帶電粒子都可以這樣求解，這種方法還可以求解復(fù)雜的競賽題，如：

例4：如圖所示，在xy平面上有一片稀疏的電子(其間的相互作用可以忽略)，在-H

①所有電子都能在磁場力的作用下通過坐標(biāo)原點(diǎn)；

②這一片電子最后擴(kuò)展到-2H

簡解：依題意，本題具有對稱性和相似性。先考慮第一象限，設(shè)勻強(qiáng)磁場方向垂直于紙面向里，從O點(diǎn)射出的電子其軌道為一組過O點(diǎn)的圓環(huán)，如下圖②③，要使做圓軌道運(yùn)動的電子最后平行于x軸運(yùn)動，離開磁場時(shí)應(yīng)在軌道的最高點(diǎn)，即圓心的正上方離圓心距離為R，而圓心軌跡為以O(shè)為圓心的圓環(huán)①，所以磁場區(qū)域應(yīng)在以點(diǎn)（0，R）為圓心的圓周④內(nèi)的一個(gè)圓形區(qū)域里，通過轉(zhuǎn)動硬幣可得圓周③是能進(jìn)入第一象限磁場區(qū)域的一個(gè)邊界軌道，所以第一象限磁場區(qū)域是圓周③④所圍成的實(shí)線封閉區(qū)。

第四象限與第一象限關(guān)于X軸對稱，可將第一象限的磁場區(qū)域連同磁場一起繞Ｘ軸旋轉(zhuǎn)180o得到，而第二、三象限與第一、四象限關(guān)于Ｙ軸相似，由于帶電粒子運(yùn)動的寬度與運(yùn)動半徑有關(guān)，由計(jì)算可得左、右兩邊總寬度分別等于各自的圓環(huán)直徑，而r＝mV/eB ，所以B₂=B₃=2B₁=2B₄，由此可得磁場區(qū)域?yàn)槿缬覉D蝶形區(qū)域。

評析：這是一道很復(fù)雜的試題，然而通過硬幣的移動使動態(tài)物理過程躍然紙上，從而使解題過程簡捷明了。

綜上所述，利用生活中的簡單工具，分析動態(tài)的物理過程，可以幫助學(xué)生在頭腦中建立形象、直觀的物理情景，從而提高解題速度和解題的正確率。