從物理走向生活

許文 葉明恩

從物理走向生活，從生活走向物理，是新課程改革的教學理念. 近年來全國與各地的高考物理試題出現(xiàn)了一些物理與科學、技術、社會、環(huán)境等STSE試題. 這些試題把理論知識和實際生活巧妙聯(lián)系起來，樸實新穎，透著時代氣息，引領學生學以致用，培養(yǎng)了同學們的創(chuàng)新能力與實踐能力，體現(xiàn)了新課標的教學理念.

一、物理學與現(xiàn)代生活

在物理學習中，廣泛地聯(lián)系社會生活實際，將大大地擴充自己的知識面，開拓自己的眼界.

1.電子天平

例1 （2014重慶8）某電子天平原理如圖1所示，E形磁鐵的兩側為N極，中心為S極，兩極間的磁感應強度大小均為B，磁極寬度均為L，忽略邊緣效應. 一正方形線圈套于中心磁極，其骨架與秤盤連為一體，線圈兩端C、D與外電路連接. 當質量為m的重物放在秤盤上時，彈簧被壓縮，秤盤和線圈一起向下運動（骨架與磁極不接觸），隨后外電路對線圈供電，秤盤和線圈恢復到未放重物時的位置并靜止，由此時對應的供電電流I可確定重物的質量. 已知線圈匝數(shù)為n，線圈電阻為R，重力加速度為g. 問：

（1）線圈向下運動過程中，線圈中感應電流是從C端還是從D端流出？

（2）供電電流I是從C端還是從D端流入？求重物質量與電流的關系;

（3）若線圈消耗的最大功率為P，該電子天平能稱量的最大質量是多少？

解析 ?（1）由右手定則可判斷線圈中的感應電流從[C]端流出.

（2）外加電流在線圈中產(chǎn)生的安培力[FA]應豎直向上與重物的重力相平衡，由左手定則知外電流應從線圈的[D]端流入. 由[FA=mg]和[FA=2nBIL]得[m=2nBLgI]

（3）設稱量最大質量為[m0]，由[m=2nBLgI]和[P=I2R]，得[m0=2nBLgPR]

點評 ?本題以電子天平為背景，考查了感應電流的方向的判斷、安培力方向的判斷與大小的計算、力的平衡、電功率等物理概念和規(guī)律，也考查了對極值問題的分析，體現(xiàn)了關注科技發(fā)展與生活科等新課改的教學理念.

2.檢查酒駕

例2 ?（2014山東23）研究表明，一般人的剎車反應時間（即從發(fā)現(xiàn)情況到開始減速所用時間）[t0]=0.4s，但飲酒會引起反應時間延長. 在某次試驗中，志愿者少量飲酒后駕車以[v0]=72km/h的速度 [25][72][ 圖2]在試驗場的水平路面上勻速行駛. 從發(fā)現(xiàn)情況到汽車停止，行駛距離為[L]=39m，減速過程中汽車位移[x]和速度[v]的關系曲線如圖2所示，此過程可以視為勻變速直線運動. 取重力加速度[g]=10m/s2，求：

（1）減速過程中的加速度的大小和所用時間;

（2）飲酒使試驗者的反應時間延長了多少？

（3）減速過程中汽車對志愿者作用力的大小與志愿者重力大小的比值.

解析 ?（1）設減速過程汽車加速度的大小為[a]，所用時間為[t]，由題可得初速度[v0]=20m/s，末速度[vt]=0，位移[x]=25m，由運動學公式[v02=2ax]，[v0=at]，代入數(shù)據(jù)，得[a]=8m/s2，[t]=2.5s

（2）設志愿者反應時間為[t′]，反應時間的增量為[Δt]，由運動學公式，有[L=v0t′+x]，[Δt=t′-t0]，代入數(shù)據(jù)，得[Δt]=0.3s

（3）設志愿者所受合外力的大小為[F]，汽車對志愿者作用力的大小為[F0]，志愿者質量為[m]，由牛頓第二定律，有[F=ma]，由平行四邊形定則，有[F02=F2+（mg）2]

代入數(shù)據(jù)，得[F0mg=415]

點評 ?本題以當前交通治理“酒駕”行為為背景，考查了勻變速直線運動的基本規(guī)律. 要求同學們做到理論聯(lián)系實際，審題建模，解讀題目所敘述的物理現(xiàn)象，從相關圖象中獲取有用的解題信息.

二、物理學與現(xiàn)代技術

物理學與生產(chǎn)技術極為密切. 在物理學習中，必須重視物理學與現(xiàn)代生產(chǎn)的關系.

1.測速裝置

例3 ?（2014浙江24）其同學設計一個發(fā)電測速裝置，工作原理如圖3所示. 一個半徑為[R]=0.1m的圓形金屬導軌固定在豎直平面上，一根長為[R]的金屬棒[OA]，[A]端與導軌接觸良好，[O]端固定在圓心處的轉軸上. 轉軸的左端有一個半徑為[r=R3]的圓盤，圓盤和金屬棒能隨轉軸一起轉動. 圓盤上繞有不可伸長的細線，下端掛著一個質量為[m]=0.5kg的鋁塊. 在金屬導軌區(qū)域內存在垂直于導軌平面向右的勻強磁場，磁感應強度[B]=0.5T.[a]點與導軌相連，[b]點通過電刷與[O]端相連. 測量[a、b]兩點間的電勢差[U]可算得鋁塊速度. 鋁塊由靜止釋放，下落[h]=0.3m時，測得[U]=0.15V.細線與圓盤間沒有滑動，金屬棒、導軌、導線及電刷的電阻均不計，重力加速度[g]=10m/s2.

[圖3]

（1）求此時鋁塊的速度[v]的大小;

（2）求此下落過程中鋁塊機械能的損失.

解析 ?（1）設屬棒產(chǎn)生的感應電動勢大小為[E]，則電壓表的示數(shù)[U=E=ΔΦΔt]，[ΔΦ=12BR2Δθ]，[U=12BωR2]，[v=rω=13ωR]，解得[v=2U3BR=]2m/s

（2）[ΔE=mgh-12mv2]=0.5J

點評 ?本題以現(xiàn)代生產(chǎn)中測速裝置為背景，考查感應電動勢方向的判斷、電磁感應定律、能量守恒等基本概念和規(guī)律.

2.同步加速器

例4 ?（2014天津12）同步加速[× × × ×

× × × ×

× × × ×

× × × ×] [ 圖4]器在粒子物理研究中有重要的應用，其基本原理簡化為如圖4所示的模型. [M、N]為兩塊中心開有小孔的平行金屬板. 質量為[m]、電荷量為[+q]的粒子[A]（不計重力）從[M]板小孔飄入板間，初速度可視為零. 每當[A]進入板間，兩板的電勢差變?yōu)閇U]，粒子得到加速，當[A]離開[N]板時，兩板的電荷量均立即變?yōu)榱? 兩板外部存在垂直紙面向里的勻強磁場，[A]在磁場作用下做半徑為[R]的圓周運動，[R]遠大于板間距離. [A]經(jīng)電場多次加速，動能不斷增大，為使[R]保持不變，磁場必須相應地變化. 不計粒子加速時間及其做圓周運動產(chǎn)生的電磁輻射，不考慮磁場變化對粒子速度的影響及相對論效應. 求：

（1）[A]運動第1周時磁場的磁感應強度[B1]的大小;

（2）在[A]運動第[n]周的時間內電場力做功的平均功率[Pn].

解析 ?（1）設[A]經(jīng)電場第1次加速后速度為[v1]，由動能定理，有[qU=12mv21-0]

[A]在磁場中做勻速圓周運動，由洛倫茲力提供向心力，有[B1qv1=mv21R]，解得[B1=1R2mUq]

（2）設[A]經(jīng)[n]次加速后的速度為[vn]，由動能定理，有

[nqU=12mv2n-0]

[A]第[n]次做圓周運動的周期為[Tn=2πRvn]，運動第[n]周的時間內電場力做功為[Wn=qU]

該段時間內電場力做功的平均功率為[Pn=WnTn]，解得[Pn=qUπRnqU2m]

點評 ?本題以現(xiàn)代科學研究中的同步加速器為背景，把牛頓運動定律、動能定理、電場功做功、電功率等知識結合帶電粒子在電、磁場中的運動進行考查，也考查了同學們定性分析與定量研究相結合的分析方法.