刍议物理习题的教育功能

居海军

(江阴市青阳中学,江苏江阴 214401)

学习物理离不开物理习题的训练,物理教学中的习题是学生学习物理知识,消化物理规律的重要载体.教师应在习题教学和训练过程中应渗透着对学生适应社会生存和发展能力的培养,发展学生的科学、人文素质,培养良好的科学品质和树立安全环保意识.物理习题教学应当以提高和发展学生的科学素质和能力为中心,陶冶学生的人格和性情,符合时代发展的需要.

1 树立学生科学的世界观和人生观

物理学发展是人类孜孜以求探索自然规律,从蒙昧无知到科学理性的过程,凝聚着人类无数的汗水和辛酸.在习题教学中不忘对学生进行情感、价值观教育,培养学生的科学素养和人文精神同步发展.前人的创新过程和创新方法在物理习题中加以反映,使学生感受前人的创新的情景,从前人的得失中感受科学的魅力及前人的顽强的探索奉献精神、不屈不挠的坚强意志,适时对学生进行科学的世界观和人生观培养.

例1.1831年10月28日,法拉第在一次会议上展示了他发明的圆盘发电机.它是利用电磁感应原理制成的,是人类历史上的第一台发电机.据说,在法拉第表演他的圆盘发电机时,一位贵妇人问道:“法拉第先生,这东西有什么用呢?”法拉第答道:“夫人,一个刚出生的婴儿有什么用呢?”图1所示是这个圆盘发电机的示意图,铜盘安装在水平的铜轴上,它的边缘正好在两磁极之间,两块铜片 C、D分别与转动轴和铜盘的边缘接触.使圆盘转动,电阻R上就有电流流过.

(1)说明圆盘发电机的原理.

(2)圆盘如图示方向转动,请判断通过R的电流方向.

解析:略.

小结:法拉第一生热爱真理,热爱人民,真诚质朴,作风严谨.他那种坚定的信念,十年磨一剑的毅力,不断追求科学真理的大无畏精神;那种一切从客观实践出发,重视科学实验的唯物主义态度;以及他不盲目崇拜权威,不囿于传统观念,敢于提出独特见解的创新精神,体现了一个科学家的优秀品格,永远值得后人学习和敬仰.在习题教学中适时地用法拉第的人生故事激励熏陶学生,帮助学生树立科学的世界观和人生观.

图1

2 激发学生爱国主义情感

随着我国的教育、科研的发展,我国科技生产力得到了空前的发展,“神州7号”飞船遨游外太空、“歼十”纵横大江南北以及在60周年国庆上展示出来的军事、科技、文化发展无一不与物理知识相关.很多新的科学技术就是从物理习题中转化为现实的生产力,一些我国最新的科研成果也出现在物理习题中,我们能够从中深刻地感受到祖国的强大,以学好物理更好地报效伟大的祖国.下面例题就是一道很好向学生展示我国国防实力的习题.

例2.据报道,经过多年的研究,我国超高速电磁炮的研制已经到了最后阶段,不久将问世.电磁炮的原理是利用电磁力推动弹头达到每秒几十公里的超高速状态,常规武器望尘莫及.其原理如图2所示,炮弹(可视为长方形导体)置于两固定的平行导轨之间,并与轨道壁密接.开始时炮弹在轨道的一端,通以电流后炮弹会被磁力加速,最后从位于导轨另一端的出口高速射出.设两导轨之间的距离 d=0.10 m,导轨长 L=5.0 m,炮弹质量 m=0.30 kg.导轨上的电流I的方向如图中箭头所示.可认为,炮弹在轨道内运动时,它所在处磁场的磁感应强度始终为B=2.0 T,方向垂直于纸面向里.若炮弹出口速度为 v=2.0×103m/s,求通过导轨的电流 I.忽略摩擦力与重力的影响.

图2

3 提高学生感受美、鉴赏美的能力

法国著名雕塑家罗丹曾经说过:“美是到处都有的.对于我们的眼睛,不是缺少美,而是缺少发现”.物理学包含的内容是真实的、生动的、美好的,它本身充满着情趣.在物理习题中,同样存在着自然之美.只要我们留心去观察,就会发现物理习题中简单美、和谐美、对称美、规律美、图像美、实验美,美不胜收.物理习题中的美育对于增加学生的学习情趣,培养学生感受美、鉴赏美的能力有着积极的促进作用.

例3.如图3两个共轴的圆筒形金属电极,外电极接地,其上均匀分布着平行于轴线的 4条狭缝 a,b,c和d,外筒的外半径为r0,在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线的匀强磁场,磁感应强度为B,在两极间加上电压,使两圆筒之间的区域内有沿半径向外的电场.一质量为 m,带电荷量为+q的粒子,从紧靠内筒且正对狭缝 a的S点出发,初速为0.如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点S,则两电极之间的电压U应是多少?(不计重力,整个装置在真空中)

图3

解析:带电粒子从 S点出发,在两筒之间的电场力作用下加速,沿径向穿出a而进入磁场区域在洛伦兹力作用下做圆周运动,粒子再回到 S点的条件是能依次沿径向穿过狭缝d,c,b.在各狭缝中粒子在电场力作用下先减速,再反向加速,然后重新进入磁场区域,如图4所示,设粒子进入磁场区时的速度为v,根据能量守恒有设粒子在洛伦兹力作用下做圆周运动的半径为 R,由洛伦兹力公式和牛顿定律得.粒子从a到d必须经过圆周,所以半径R必定等于筒的外半径r0,即 R=r0,由以上各式解得

图4

小结:该粒子的运动轨迹犹如一朵绽放的梅花,给枯燥的习题训练带来阵阵清香.从某种意义上讲,物理学的每一次重大突破都有美学思想在其中的体现.用美的思想去审题,从美的角度去分析和解决问题,将给人耳目一新的感觉.

4 发展学生的思维和能力

全球化社会的发展要求人们具备开放性思维与创新思维,各国的课程改革都强调创造性与开放性思维的培养.创新思维是创新能力的核心,是人类最高层次的思维方法.学生创新能力的培养,是当前物理教学改革的重点.在物理习题的教学和训练中通过对多题一解发展学生聚合性思维、一题多解发展学生的发散性思维、从果到因发展学生的逆向思维等,让学生练习有梯度而且能激发学生创新思维的试题,变式训练、层层推进,培养创新思维加强能力训练,逐步培养学生的创新能力.

例4.如图5所示,小球从楼梯上以2 m/s的速度水平抛出,所有台阶的高度和宽度均为0.25 m,取 g=10 m/s2,小球抛出后首先落到的台阶是

图5

(A)第1级台阶.

(B)第2级台阶.

(C)第3级台阶.

(D)第4级台阶.

解析:设小球从楼梯上以2 m/s的速度水平抛出将落在第 n级台阶上,每级台阶高度和宽度都为 L=0.25 m,则小球下降的高度为h=nL

解得3.2＜n＜5,n取整数,n=4,所以小球落在第4级台阶上.

小结:实际上这道题目有4、5种解题方法,课堂上充分调动学生的积极性,让学生进行一题多解,提高解题技巧及分析问题、解决问题的能力,增强思维的灵活性、变通性和创新性.在习题设置和教学中应选择能够锻炼学生思维的一类题目,如实验设计、知识综合等类型的习题,从多角度训练学生的思维方式.

5 培养学生学以致用的思想

物理知识与实际生活、科技发展、社会环境密不可分,涉及了人类生活的整个空间.物理课程改革的理念就是要引导学生“从生活走向物理,从物理走向社会”.要将物理知识和生活体验紧密地联系起来,学以致用,用实践去检验所学的知识,培养学生运用物理知识解决问题的思维和能力.

例5.从物理现象判断,噪声通常是不规则或随机的声音信号,由于声波是一种机械波,因此它具有波的特性,且当两列声波满足相干条件时,将会发生干涉现象,引起能量在空间的重新分布,因此,利用人为声源使其产生的声音与噪声发生相消性叠加,则会产生静区,从而达到降低噪音的目的.消除噪声污染是当前环境保护的一个重要课题,内燃机、通风机等在排放各种高速气流的过程中都会发出噪声,干涉型消声器即可用来削弱高速气流产生的噪音,其结构及气流运行如图6所示,该消声器产生的波长为λ的声波沿水平管道自左向右传播,在声波到达a处时分成两束相干波,分别通过 r1和r2路径后在b点处相遇,即可达到削弱噪声的目的.若Δr=r2-r1,则Δr等于

图6

(A)波长 λ的整数倍.

(B)波长λ的奇数倍.

解析:两列波频率相同、相位差恒定的机械波相遇时,产生干涉从而相消的条件是:两列波的波程差必须是半波长的奇数倍.对于消声器来说,声波到达a处时分成两束相干波再在b处相遇,要达到削弱噪声的目的,两列波的波程差必须是半波长的奇数倍,因此选(C).抗眩太阳镜镜片、近视眼镜镜片的镀膜等都是利用同样的原理.

6 增强学生的安全意识

物理习题中蕴藏丰富的安全教育资源,如用电安全、交通安全、运动安全等等都是物理习题和生活中易见的情形.很多物理习题中渗透安全意识教育的因素,只要我们充分利用、有效挖掘,在习题教学中渗透给学生安全意识,使学生防患于未然,有效防止各种危险情况的发生.

例6.人从一定的高度落地容易造成骨折.一般人胫骨的极限抗压强度约为1.5×108N/m2,胫骨最小横截面积大多为3.2 cm2.假若一质量为50 kg的人从某一高度直膝双足落地,落地时其重心又下降约1 cm.试计算一下这个高度超过多少时,就会导致胫骨骨折.(g取10 m/s2)

解析:由题意知,胫骨最小处所受冲击力超过F=1.5×108×2×3.2×10-4N=9.6×104N时会造成骨折.

设下落的安全高度为 h1,触地时重心又下降高度为h2,落地者质量为 m,落地速度为 v,与地碰撞时间为Δt,由动能定理有 mg(h1+h2)-Fh2=0,所以h2,代入数据得

小结:校园安全事故屡见不鲜,火灾、触电、运动受伤甚至死亡时有发生.教师在教书育人的同时时刻不忘安全教育,及时提醒,同时还要借助物理习题,物理情景的分析,让学生知晓什么情况下是危险的,不同程度的危险级别,使学生知其然还要知其所以然,及时地做到自我保护.

7 引导学生的节能环保观念

发挥物理学科优势,寓环保教育于物理习题教育之中,在习题教学中见缝插针,有意识地进行环境教育渗透,如静电除尘、废水处理、“热岛效应”、“客运效率”、水能、风能、太阳能、核能开发等习题中加强对学生进行节水、节能、防污染等环境教育.

例7.环保汽车为2008年奥运会场馆服务.某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车,总质量m=3×103kg.当它在水平路面上以v=36 km/h的速度匀速行驶时,驱动电机的输入电流 I=50 A,电压 U=300 V.在此行驶状态下

(1)求驱动电机的输入功率 P电.

(2)若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机,求汽车所受阻力与车重的比值(g取10 m/s2).

(3)设想改用太阳能电池给该车供电,其他条件不变,求所需的太阳能电池板的最小面积.结合计算结果,简述你对该设想的思考.

已知太阳辐射的总功率P0=4×1026W,太阳到地球的距离r=1.5×1011m,太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗,该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%.

解析:略.

小结:物理习题中能量守恒思想是最重要的思想之一,由于能量耗散,虽然能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了,从便于利用的能源变成不便利用的能源,这就是能源危机的深层含义,再加上当今人们开采和利用的都是非再生的化石能源,只会日益短缺,所以在习题教学中帮助学生树立节能意识,当然研制和开发新能源是能源开发和利用的必由之路.