芻議物理習題的教育功能

居海軍

(江陰市青陽中學,江蘇江陰 214401)

學習物理離不開物理習題的訓練,物理教學中的習題是學生學習物理知識,消化物理規律的重要載體.教師應在習題教學和訓練過程中應滲透著對學生適應社會生存和發展能力的培養,發展學生的科學、人文素質,培養良好的科學品質和樹立安全環保意識.物理習題教學應當以提高和發展學生的科學素質和能力為中心,陶冶學生的人格和性情,符合時代發展的需要.

1 樹立學生科學的世界觀和人生觀

物理學發展是人類孜孜以求探索自然規律,從蒙昧無知到科學理性的過程,凝聚著人類無數的汗水和辛酸.在習題教學中不忘對學生進行情感、價值觀教育,培養學生的科學素養和人文精神同步發展.前人的創新過程和創新方法在物理習題中加以反映,使學生感受前人的創新的情景,從前人的得失中感受科學的魅力及前人的頑強的探索奉獻精神、不屈不撓的堅強意志,適時對學生進行科學的世界觀和人生觀培養.

例1.1831年10月28日,法拉第在一次會議上展示了他發明的圓盤發電機.它是利用電磁感應原理制成的,是人類歷史上的第一臺發電機.據說,在法拉第表演他的圓盤發電機時,一位貴婦人問道:“法拉第先生,這東西有什么用呢?”法拉第答道:“夫人,一個剛出生的嬰兒有什么用呢?”圖1所示是這個圓盤發電機的示意圖,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分別與轉動軸和銅盤的邊緣接觸.使圓盤轉動,電阻R上就有電流流過.

(1)說明圓盤發電機的原理.

(2)圓盤如圖示方向轉動,請判斷通過R的電流方向.

解析:略.

小結:法拉第一生熱愛真理,熱愛人民,真誠質樸,作風嚴謹.他那種堅定的信念,十年磨一劍的毅力,不斷追求科學真理的大無畏精神;那種一切從客觀實踐出發,重視科學實驗的唯物主義態度;以及他不盲目崇拜權威,不囿于傳統觀念,敢于提出獨特見解的創新精神,體現了一個科學家的優秀品格,永遠值得后人學習和敬仰.在習題教學中適時地用法拉第的人生故事激勵熏陶學生,幫助學生樹立科學的世界觀和人生觀.

圖1

2 激發學生愛國主義情感

隨著我國的教育、科研的發展,我國科技生產力得到了空前的發展,“神州7號”飛船遨游外太空、“殲十”縱橫大江南北以及在60周年國慶上展示出來的軍事、科技、文化發展無一不與物理知識相關.很多新的科學技術就是從物理習題中轉化為現實的生產力,一些我國最新的科研成果也出現在物理習題中,我們能夠從中深刻地感受到祖國的強大,以學好物理更好地報效偉大的祖國.下面例題就是一道很好向學生展示我國國防實力的習題.

例2.據報道,經過多年的研究,我國超高速電磁炮的研制已經到了最后階段,不久將問世.電磁炮的原理是利用電磁力推動彈頭達到每秒幾十公里的超高速狀態,常規武器望塵莫及.其原理如圖2所示,炮彈(可視為長方形導體)置于兩固定的平行導軌之間,并與軌道壁密接.開始時炮彈在軌道的一端,通以電流后炮彈會被磁力加速,最后從位于導軌另一端的出口高速射出.設兩導軌之間的距離 d=0.10 m,導軌長 L=5.0 m,炮彈質量 m=0.30 kg.導軌上的電流I的方向如圖中箭頭所示.可認為,炮彈在軌道內運動時,它所在處磁場的磁感應強度始終為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,求通過導軌的電流 I.忽略摩擦力與重力的影響.

圖2

3 提高學生感受美、鑒賞美的能力

法國著名雕塑家羅丹曾經說過:“美是到處都有的.對于我們的眼睛,不是缺少美,而是缺少發現”.物理學包含的內容是真實的、生動的、美好的,它本身充滿著情趣.在物理習題中,同樣存在著自然之美.只要我們留心去觀察,就會發現物理習題中簡單美、和諧美、對稱美、規律美、圖像美、實驗美,美不勝收.物理習題中的美育對于增加學生的學習情趣,培養學生感受美、鑒賞美的能力有著積極的促進作用.

例3.如圖3兩個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域中有平行于軸線的勻強磁場,磁感應強度為B,在兩極間加上電壓,使兩圓筒之間的區域內有沿半徑向外的電場.一質量為 m,帶電荷量為+q的粒子,從緊靠內筒且正對狹縫 a的S點出發,初速為0.如果該粒子經過一段時間的運動之后恰好又回到出發點S,則兩電極之間的電壓U應是多少?(不計重力,整個裝置在真空中)

圖3

解析:帶電粒子從 S點出發,在兩筒之間的電場力作用下加速,沿徑向穿出a而進入磁場區域在洛倫茲力作用下做圓周運動,粒子再回到 S點的條件是能依次沿徑向穿過狹縫d,c,b.在各狹縫中粒子在電場力作用下先減速,再反向加速,然后重新進入磁場區域,如圖4所示,設粒子進入磁場區時的速度為v,根據能量守恒有設粒子在洛倫茲力作用下做圓周運動的半徑為 R,由洛倫茲力公式和牛頓定律得.粒子從a到d必須經過圓周,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:該粒子的運動軌跡猶如一朵綻放的梅花,給枯燥的習題訓練帶來陣陣清香.從某種意義上講,物理學的每一次重大突破都有美學思想在其中的體現.用美的思想去審題,從美的角度去分析和解決問題,將給人耳目一新的感覺.

4 發展學生的思維和能力

全球化社會的發展要求人們具備開放性思維與創新思維,各國的課程改革都強調創造性與開放性思維的培養.創新思維是創新能力的核心,是人類最高層次的思維方法.學生創新能力的培養,是當前物理教學改革的重點.在物理習題的教學和訓練中通過對多題一解發展學生聚合性思維、一題多解發展學生的發散性思維、從果到因發展學生的逆向思維等,讓學生練習有梯度而且能激發學生創新思維的試題,變式訓練、層層推進,培養創新思維加強能力訓練,逐步培養學生的創新能力.

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階是

圖5

(A)第1級臺階.

(B)第2級臺階.

(C)第3級臺階.

(D)第4級臺階.

解析:設小球從樓梯上以2 m/s的速度水平拋出將落在第 n級臺階上,每級臺階高度和寬度都為 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,n=4,所以小球落在第4級臺階上.

小結:實際上這道題目有4、5種解題方法,課堂上充分調動學生的積極性,讓學生進行一題多解,提高解題技巧及分析問題、解決問題的能力,增強思維的靈活性、變通性和創新性.在習題設置和教學中應選擇能夠鍛煉學生思維的一類題目,如實驗設計、知識綜合等類型的習題,從多角度訓練學生的思維方式.

5 培養學生學以致用的思想

物理知識與實際生活、科技發展、社會環境密不可分,涉及了人類生活的整個空間.物理課程改革的理念就是要引導學生“從生活走向物理,從物理走向社會”.要將物理知識和生活體驗緊密地聯系起來,學以致用,用實踐去檢驗所學的知識,培養學生運用物理知識解決問題的思維和能力.

例5.從物理現象判斷,噪聲通常是不規則或隨機的聲音信號,由于聲波是一種機械波,因此它具有波的特性,且當兩列聲波滿足相干條件時,將會發生干涉現象,引起能量在空間的重新分布,因此,利用人為聲源使其產生的聲音與噪聲發生相消性疊加,則會產生靜區,從而達到降低噪音的目的.消除噪聲污染是當前環境保護的一個重要課題,內燃機、通風機等在排放各種高速氣流的過程中都會發出噪聲,干涉型消聲器即可用來削弱高速氣流產生的噪音,其結構及氣流運行如圖6所示,該消聲器產生的波長為λ的聲波沿水平管道自左向右傳播,在聲波到達a處時分成兩束相干波,分別通過 r1和r2路徑后在b點處相遇,即可達到削弱噪聲的目的.若Δr=r2-r1,則Δr等于

圖6

(A)波長 λ的整數倍.

(B)波長λ的奇數倍.

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

6 增強學生的安全意識

物理習題中蘊藏豐富的安全教育資源,如用電安全、交通安全、運動安全等等都是物理習題和生活中易見的情形.很多物理習題中滲透安全意識教育的因素,只要我們充分利用、有效挖掘,在習題教學中滲透給學生安全意識,使學生防患于未然,有效防止各種危險情況的發生.

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.假若一質量為50 kg的人從某一高度直膝雙足落地,落地時其重心又下降約1 cm.試計算一下這個高度超過多少時,就會導致脛骨骨折.(g取10 m/s2)

解析:由題意知,脛骨最小處所受沖擊力超過F=1.5×108×2×3.2×10-4N=9.6×104N時會造成骨折.

設下落的安全高度為 h1,觸地時重心又下降高度為h2,落地者質量為 m,落地速度為 v,與地碰撞時間為Δt,由動能定理有 mg(h1+h2)-Fh2=0,所以h2,代入數據得

小結:校園安全事故屢見不鮮,火災、觸電、運動受傷甚至死亡時有發生.教師在教書育人的同時時刻不忘安全教育,及時提醒,同時還要借助物理習題,物理情景的分析,讓學生知曉什么情況下是危險的,不同程度的危險級別,使學生知其然還要知其所以然,及時地做到自我保護.

7 引導學生的節能環保觀念

發揮物理學科優勢,寓環保教育于物理習題教育之中,在習題教學中見縫插針,有意識地進行環境教育滲透,如靜電除塵、廢水處理、“熱島效應”、“客運效率”、水能、風能、太陽能、核能開發等習題中加強對學生進行節水、節能、防污染等環境教育.

例7.環保汽車為2008年奧運會場館服務.某輛以蓄電池為驅動能源的環保汽車,總質量m=3×103kg.當它在水平路面上以v=36 km/h的速度勻速行駛時,驅動電機的輸入電流 I=50 A,電壓 U=300 V.在此行駛狀態下

(1)求驅動電機的輸入功率 P電.

(2)若驅動電機能夠將輸入功率的90%轉化為用于牽引汽車前進的機械功率P機,求汽車所受阻力與車重的比值(g取10 m/s2).

(3)設想改用太陽能電池給該車供電,其他條件不變,求所需的太陽能電池板的最小面積.結合計算結果,簡述你對該設想的思考.

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

解析:略.

小結:物理習題中能量守恒思想是最重要的思想之一,由于能量耗散,雖然能量在數量上并未減少,但在可利用的品質上降低了,從便于利用的能源變成不便利用的能源,這就是能源危機的深層含義,再加上當今人們開采和利用的都是非再生的化石能源,只會日益短缺,所以在習題教學中幫助學生樹立節能意識,當然研制和開發新能源是能源開發和利用的必由之路.