借助“仿真物理实验室”突破带电体在复合场中运动的教学难点

2019-04-16陈龙

物理通报 2019年4期

陈龙

(无锡市第三高级中学江苏无锡 214028)

物理实验具有化枯燥为生动、化抽象为具体、化平淡为奇特的功效，能为学生提供一个学习新知识的良好环境.绝大部分的物理教师在教学时(特别是新授课)确实是尽可能地做演示实验或学生分组实验，以激发学生的学习兴趣，为学生积极主动地获取知识创造条件.

1 “带电体在复合场中的运动”教学难点出现的原因分析

复合场，看不见摸不着，是很抽象的物理概念而又是客观存在的一种物质形式.带电体在复合场中的运动，对高中学生而言无疑是一个难点.在平常的教学中发现，教师反复讲，学生反复练也不一定能把这个难点突破，经常感觉拿到问题无法下手，教师一讲评又觉得听懂了.到底是什么原因？如果是教师遇到这类问题，其实在脑海里已经有了这类问题的一个基本“映像”，在头脑中已经有了这个物体的运动和受力情况，这个物体的大概运动轨迹已经在头脑中形成，然后在已有映像的基础上再进行分析讨论研究.

由此可知，在解决带电体在复合场运动问题时，对学生空间想象能力要求比较高，要求学生能够在大脑中模拟出带电体在复合场中的运动情况，构成物理情境.而与带电体在复合场中的运动相关的实验，在普通高中学校的实验室是不可能完成的，这是高中物理教师的痛处.在整个高中物理教学中，不管是高二阶段的新课教学，还是高三的一轮、二轮复习，教师只能苦于单向的运用动力学、功能关系、动量守恒定律等工具来分析带电体在复合场中的运动情况.这就带来了两个方面的弊端，其一,不符合物理学本身的特点.众所周知，空间想象是建立在生活现象或实验现象的基础上，例如绳系小球在竖直平面内的圆周运动模型，大部分学生会立即联想到老师或自己曾做过的“水流星”实验或“过山车”实验.而整个高中物理的学习过程中从来就没有观察过带电体在复合场中的一些典型的运动情形，学生头脑中没有“映像”，很难凭空想象实际的运动.其二，让学生丧失探究学习的热情.本来复合场就抽象难懂，而教师只能是灌输式的讲授，学生毫无兴趣可言.稍不留神学生可能就跟不上教师的节奏，不知道“教师脑中”的运动轨迹从何而来.

2 带电体在复合场中运动的两类“难点”

在高中阶段，带电体在复合场中运动的常见类型是：匀速直线运动、匀速圆周运动、类平抛运动、限制在某杆子上或某斜面上的非匀速直线运动、匀速直线运动与匀速圆周运动交替出现的组合.这些类型的问题学生一般能够自主分析，因为通过高一物理的学习在学生头脑中已有这些基本的映像，也清楚做这些特殊运动的动力学条件：如合力为零时带电体一定处于静止或做匀速直线运动；除洛伦兹力外的合力为零时带电体会做匀速圆周运动；合力为恒力且与初速度垂直时做类平抛运动.非匀速直线运动由于轨迹简单直观运用牛顿运动定律也不难分析.较复杂的“螺旋线运动”，借助生活中常见的弹簧或螺旋式的扶梯，学生也能够在头脑中清晰地描绘出运动的情景.所以在高中物理教学和竞赛指导中，带电体在复合场中运动的难点出现在非匀速圆周运动，甚至是更为普通的非匀变速曲线运动.本文着重介绍在高考或竞赛中可能出现的两类“难点”.

2.1 轻绳系带电小球(带电小球在圆轨道内侧)在复合场中的非匀速圆周运动

B.在B点给小球水平向右的速度v0，球能经过最高点D.若在B点给小球水平向左的速度v0，则小球也一定能通过最高点D

C.将球由A点静止释放，到达B点时速度为零

图1 例1题图

学生解答情况与教学反思：这是笔者给高三毕业班同学的一道查漏补缺的习题，在高二新课学习时学生已接触过与此题类似的“等效重力场”模型，但统计下来学生的答题情况很不理想.很多学生错选了选项B，漏选了选项C，而且选了选项D的学生大多很自然也选了选项A，究其原因主要是学生头脑中没有留下“等效重力场中非匀速圆周运动”的“映像”，还停留在高一学习纯重力场中竖直平面内的“轻绳模型”.

2.2 带电体在复合场中的“摆轮线运动”

【例2】如图2所示，平面直角坐标系x轴水平，y轴竖直向上，虚线MN与y轴平行，y轴左侧有竖直向下的匀强电场，场强E1=6 N/C，y轴与MN之间有平行于y轴的匀强电场E2，y轴右侧存在垂直纸面向里的水平匀强磁场，磁感应强度B=1 T．一带正电小球(m=1×10-3kg，q=5×10-3C)从图中与y轴距离x0=0.3 m的P点，以v0=3 m/s的初速度沿x轴正向开始运动，经坐标原点O越过y轴，在y轴与MN之间恰好做匀速圆周运动，再经C点越过MN，越过时速度方向与x轴正方向一致．线段CD平行于x轴，小球能通过D点．取g=10 m/s2.求：

(1) 经过O点时的速度；

(2) 匀强电场的场强E2以及C点的坐标；

(3) 线段CD的长度．

图2 例2题图

学生解答情况与教学反思：这道例题是2018年南京市高三二模卷中的一道计算题，前两问涉及的是复合场中常见的运动类型，大部分学生能顺利的解答.而第(3)问学生根本不知道如何下手.需要说明的是，学生不是第一次接触这种类型的运动，2017年南通市高三二模卷中的一道计算也是类似的运动情形，笔者已讲解过.笔者经过回顾讲解过程，发现问题在于只介绍了求解这类问题的基本方法：把实际运动看成是匀速直线运动与匀速圆周运动的合运动，而没有具体描绘出带电粒子的运动轨迹，学生怎么可能想象出“教师脑中”的运动情景.

3 借助“仿真物理实验室”突破两类难点的教学案例简介

如何才能使学生在学习“带电体在复合场中运动”时感觉物理还是有趣的，在学生头脑中留下一些典型运动情形的深刻“映像”呢？ “仿真物理实验室”可以解决这个难题，在这个平台上教师或学生可以任意搭建自己的实验，进行仿真.

3.1 轻绳系带电小球(带电小球在圆轨道内侧)在复合场中的非匀速圆周运动教学案例简介

(1)演示实验：重现水流星实验和过山车实验(纯重力场).

如图3所示，教师请学生回顾竖直平面内的圆周运动(轻绳模型)的相关知识.

图3 竖直平面内的圆周运动

1)小球在竖直平面内能做完整的圆周运动的条件是什么？

2)如果能做完整的圆周运动，什么位置小球的速度最大？什么位置小球的速度最小？

3)如果不能做完整的圆周运动，那保证轻绳不松(小球不脱轨)的条件是什么？(小球在最低点时的速度需满足的条件)

4)若小球从图中E点由静止释放，小球怎样运动？

(2)给出电场、重力场的复合场绳系带电小球的场景.

如果空间除了存在重力场，同时还存在水平方向的匀强电场，带电小球又会怎样运动呢？

(3)用“仿真物理实验室”进行仿真实验，请学生观察带电小球的运动情况.

图4 例3题图

1)将球由A点静止释放

①打开仿真实验室，新建实验，设置小球属性：质量为0.1 kg，半径大小R的值，初始坐标，初速度设为零，小球颜色白色；摆长为1 m；匀强电场的大小E=6.125×109N/C，方向水平向右，电荷量q=1.6×10-10C；取g=9.8 m/s2.设置界面如图5(a)，(b)，(c)，(d)所示.(赋值满足qE=mg即可)

(a)

(b)

(c)

(d)

②点击运行实验即可开始实验，观看到带电小球在AB间往返摆动，如图6所示.

图6 运行实验图

2)在B点给小球水平向右的速度v0(v0的值由小逐渐增大)

①下面是v0=3 m/s时的运动情景，如图7所示.

图7 v0=3 m/s时的运动情景

②图8所示为v0=7 m/s时的运动情景，可以清楚地看到小球通过了几何最高点，但是没能做完整的圆周运动，学生看到此景开始“沸腾”了，开始喊着v0等于多大才能做完整的圆周运动呢？(教师给学生创设一个“认知冲突”，让他们开始时根据以往的知识产生一个错误的认识，教师设计某一场景揭示这个错误，进而追究事情的本质，这样学生才会记忆深刻，让新的、正确的知识替代以往错误的认识[1])