高中物理趣味“字形”習題的評析

戴耀中 陳毅鳳 陳振宇

2008年北京奧運會開幕式上，“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)想到課題研究內(nèi)容中“趣味性練習設(shè)計的應(yīng)用與效果”，不是也常遇到一類相關(guān)“字形”的物理問題嗎？它們既精彩又有意義。下面就此簡要談一談，相信這不僅能激發(fā)學生學習熱情和興趣，還可以激勵學生思考和應(yīng)用所學的物理知識。

一、探究“字形”，扣人心弦。

例1.為什么閃電會從天而降，又為什么閃電通常是“之”字或“人”字形？

解析：美國國家氣象局的內(nèi)譯特·賴德爾認為，每當暴風雨來臨，雨點即能獲得額外的電子。電子是帶負電的，這些電子會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)生了傳導的軌跡。傳導的軌跡會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。還有學者從視覺、能量粒子受干擾、能量通道發(fā)生變化等加以解釋。

點評：該題在課標實驗教材物理1（必修）第一章《緒論》（圖1-3）中提問過，“從自然界的問題開始”，就如此驚天動地和神秘，可謂用隆重而夢幻般的儀式把學生迎進物理學的殿堂。又如①古羅馬有一條水道叫阿克瓦·馬爾齊亞，全長100km，但是水道兩端之間的直線距離只有該數(shù)值的一半；只因那時候工程師對“U”形管連通器的原理只有極模糊認識，竟多造了50km長的石頭工程。②我國詹天佑設(shè)計的“人”字形鐵路卻讓世界鐵路業(yè)走向一個新的臺階。③美籍華裔諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中，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，會讓學生產(chǎn)生濃厚的興趣，情感態(tài)度與價值觀得到升華，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)計了如圖1所示的玩具軌道，其中“2008”四個等高數(shù)字用內(nèi)壁光滑的薄壁細圓管彎成，固定在豎直平面內(nèi)（所有數(shù)字均由圓或半圓組成，圓半徑比細管的內(nèi)徑大得多），底端與水平地面相切。彈射裝置將一個小物體（可視為質(zhì)點）以V=5m/s的水平初速度由a點彈出，從b點進入軌道，依次經(jīng)過“8002”后從p點水平拋出。小物體與地面ab段間的動摩擦因素μ=0.3，不計其他機械能損失。已知ab段長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點拋出后的水平射程。2.小物體經(jīng)過數(shù)字“0”的最高點時管道對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）

點評：在新課程理念下的高考強調(diào)讓學生領(lǐng)悟物理思想和方法、體驗探究過程、感受物理學的美妙。本題的“2008”字形，與奧運主題相呼應(yīng)，一下子把考生帶入特定的“時空隧道”。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。同時還將勻變速直線運動、圓周運動、平拋運動三種高中物理中典型的運動模型相結(jié)合，巧妙地把“科學性、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”字形來設(shè)置情境。如①上海市第16屆初中物理物理競賽復(fù)賽試題第18大題。②十字路口等候綠燈亮時，自行車與汽車的“追及問題”。

三、變換“字形”，發(fā)人深省。

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

A.當線圈1輸入電壓220V時，線圈2輸出電壓為110V

B.當線圈1輸入電壓220V時，線圈2輸出電壓為55V

C.當線圈2輸入電壓110V時，線圈1輸出電壓為220V

D.當線圈2輸入電壓110V時，線圈1輸出電壓為110V

解析：當線圈1作為輸入端時，===×=，因為U=220V，所以U=55V。當線圈2作為輸入端時；同理可得U′=110V。故選B、D。

點評：我們經(jīng)常使用的變壓器公式是針對“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出新的公式，切忌盲目套用公式。在教學過程中若能巧妙抓住時機，變換設(shè)疑因勢利導，將有助于開啟學生思緒，在學生“最近發(fā)展區(qū)”較大限度地引發(fā)學生思維。

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三個粗細不同的部分連接而成，各部分的橫截面積分別為4S、S和2S。已知大氣壓強為P，溫度為T。兩活塞A和B用一根長為4L的不可伸長的輕線相連，把溫度為T的空氣密封在兩活塞之間，此時兩活塞的位置如圖所示。現(xiàn)對被密封的氣體加熱，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，此時兩活塞之間氣體的壓強可能為多少？

例5.（11海南）如圖4，ab和cd是兩條豎直放置的長直光滑金屬導軌，MN和M′N′是兩根用細線連接的金屬桿，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，并剛好與導軌接觸；兩桿的總電阻為R，導軌間距為l。整個裝置處在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，磁場方向與導軌所在平面垂直。導軌電阻可忽略，重力加速度為g。在t=0時刻將細線燒斷，保持F不變，金屬桿和導軌始終接觸良好。求：（1）細線少斷后，任意時刻兩桿運動的速度之比；（2）兩桿分別達到的最大速度。

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

點評：例4、例5兩道試題看似風馬牛不相及，可確有“異曲同工”之妙。其特點是，由“細繩”“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“熱學氣缸類問題”、“電磁學導軌類問題”中還是較常見的。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動過程分析后，再整體綜合分析，從而迅速尋找到解題的“切入點”，注意過程過渡的“關(guān)鍵點”，利用條件、定律、定理等列式；再通過演算即得結(jié)果，給人一種拾階而上、水到渠成的感覺。

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