如何处理中学阶段某些难以完美解释的物理问题

2012-01-23范晓波

物理通报 2012年1期

关键词：等值观察者质点

范晓波

(靖江市第一高级中学江苏泰州 214523)

在高中物理中，受学生认知水平的限制，有部分知识点不能从理论上给予完美的解释，这就需要授课教师尽量采用一些变通的方法来帮助学生感知、认识它们．笔者以几个知识点为例，简要谈谈常用的处理方法．

1 正反兼顾

以讨论“一对相互作用力的功”为例．

一对相互作用力的功与一对平衡力的功不同，不一定等值异号．为了强调这一点，讲授时一般通过举例说明，但在过多强调相互作用力的功不一定等值异号的同时，两者何时等值异号却被疏忽，直至遇到如下类似问题.

如图1所示，重球m用一条不可伸长的轻质细线拴住后悬于O点.重球置于一个斜面不光滑的斜劈M上.用水平力F向左推动斜劈M在光滑水平桌面上由位置A匀速向左移动到位置B.在此过程中，正确说法是

图1

A．m与M之间的摩擦力对m做正功

B．M与m之间的摩擦力对m做负功

C．F对M所做的功与m对M所做的功的绝对值相等

D．M，m间相互作用的弹力对m所做的功与对M做的功绝对值不相等

对于选项D，相信绝大多数学生都会毫不犹豫地选上.事实上它是错误的．教师在讲评时，多数采用画图的方法，比较“小球位移sm和斜面位移sM在相互作用的弹力FN方向的分量”得出结论．如果仅此而已，反而会使学生再次无所适从．若及时来个设问和总结，所有问题都会迎刃而解．具体如下：

设问：一对相互作用力的功何时等值异号？

总结：(1)相互作用的两个物体相对静止；

(2)相互作用的两个物体间的相对运动方向与相互作用力方向垂直．

这两种情况下，两个物体对地位移在相互作用力方向的分量都相等，因此相互作用力做功等值异号．本例属于第二种情况．

2 限定范围

图2

所以路程

3 适度定量

以讨论“多普勒效应”为例．

定性结论是：当波源与观察者相互靠近时，观察者感觉到的频率将增大；当波源与观察者相互远离时，观察者感觉到的频率将减小．那么，如果波源与观察者不断匀速靠近(或远离)，观察者感觉到的频率是不是就不断增大(或减小)呢？学生不得而知，而且容易发生误解．用一种形象的方法帮助学生理解多普勒效应的定量规律很有必要．下面分两种情况针对声波作讨论.

(1)声源不动，观察者以速度u相对于地面向声源靠近，如图3所示．以观察者为参考系，声波传播的速度为vS+u，相当于声波的传播速度大小发生了变化．

图3

由表达式可知，观察者的对地速度u不变，观察者感觉到的频率也不会变化，不过始终大于声源的实际频率f．

(2)观察者不动，声源以速度v(v

图4

由表达式可知，声源运动速度不变，观察者感觉到的频率也不会变，不过始终大于声源的实际频率f．

相互远离的情况可进行类似的分析．

4 形象类比

以讨论“电磁波传播过程中，为何电场强度和磁感应强度同时达到最大”为例．

在介绍电磁波特点时，课本上给出一幅图，如图5所示．

图5

每年笔者教毕业班，都有学生针对这幅图提出疑问，因为这跟学生已有观念中的结论“磁感应强度的变化率越大，感应电场的场强越大”有冲突．该问题实际上只能借助于麦克斯韦方程组、微积分等才能完美解释．高中阶段可采用类比法说明．

如图6所示，设想是“横波在弹性绳中向右传播”．在竖直线1，2中央，质点处在平衡位置，其速度最大，动能也最大.同时，该质点与两侧相邻质点间距离最大，说明此处弹性绳的形变程度最大，具有的弹性势能也最大；在竖直线3，4中央，质点处在端点处，质点的速度为零，动能也为零.同时，该质点与相邻质点间距离很小，说明此处弹性绳的形变程度很小，具有的弹性势能也很小．电磁波传播过程中，空间电场强度、磁感应强度的大小分布与横波传播时空间动能、弹性势能的大小分布类似．