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数字体验在高中物理教学中的应用

2020-03-02唐王雅斌

数理化解题研究 2020年4期
关键词:电阻箱变阻器电流表

唐王雅斌

(福建省漳州市第三中学 363000)

新高考改革更加关注教学模式和方法的转变,除了提倡观察、实验等探究新知的主要方式外,在讲授重难点的课堂教学中,利用数字帮助学生理解体验的教学方法也是一种重要的方式.笔者认为利用这些数字可以使抽象的物理变得直观,苦闷的物理变得有趣,能够进一步启迪学生的智慧,帮助学生建构一套生活化、实用化的物理知识体系.

一、在物理概念教学中化抽象为具体

概念在物理教学中具有举足轻重的地位,重要的物理概念大都贯穿于整个高中物理体系,概念掌握的好坏又将影响到后续的学习.然而高中的物理概念多表述成文字或抽象表达式,少用具体的数据,学生一接触概念都较不适应,我们可以借助设置一些合理的数字,让学生逐步理解物理概念.

例1学生对“加速度”这个入门概念感到抽象,很难正确的理解.为使学生能尽快适应,可以在新授课时,把加速度概念的文字表述进行转换,赋予具体的数字来引入教学.如:汽车的启动性能是汽车性能的主要技术指标之一,我们通过一系列数字来了解一下汽车的启动性能.

车型初始状态末状态经历时间跑车静止28m/s5s轿车静止28m/s12s重型卡车静止20 m/s12s

跑车和轿车哪个的启动性能好呢?学生就容易从具体的数字去分析:它们都从静止加速到28m/s,但跑车用的时间短,如果速度的变化相同,用时少的跑车启动性能好;然后自然再问:轿车和重型卡车哪个的启动性能好呢?最后再比较跑车和重型卡车:两车的速度变化量不同,而且用的时间也不同,又该怎样比较其启动性能呢?有了这些数字,学生就能循序渐进的判断启动性能,从而过渡到加速度概念的教学,学生也就能轻松的理解加速度与速度变化的快慢有关,与速度变化量无关.

二、在物理规律教学中化深奥为直观

在教学过程中,有些物理规律在教材中没有深入讨论,如果只用字母符号推导和说明,学生往往感到迷茫.我们不妨把字母赋予数字,让深奥的规律先直观明了起来再加以学习总结.

如果要把卫星送到更高的圆轨道Ⅲ,火箭运送卫星由O点加速到P点的速度就要更大,假设到P点的速度v2=10 km/s,则卫星需要的向心力大于万有引力,要发生离心运动,即第一次变轨.

如果在Q点火箭不再加速,卫星将按椭圆轨道由Q点到P点加速回来,到P点速度仍为10 km/s;如果在Q点火箭突然加速,短时间内卫星速度由3km/s增大到v3=5km/s (圆轨道Ⅲ的假设的环绕速度5km/s要符合“越高越慢”规律),完成第二次变轨,从Q点进入半径较大的圆轨道Ⅲ.

通过赋予几个简单的数字基本可以把卫星变轨问题生动、直观地讲清楚了.学生同时也理解了为何“第一宇宙速度”是最小发射速度,假设在P点的速度比10 km/s还大,卫星就会冲向更高的轨道.当然,发射速度超过11.2 km/s(第二宇宙速度)就要脱离地球引力束缚了.由此可见,简单的数字之间蕴含着深刻的物理原理,在赋予数字时可能不是很精确,但不能犯科学性的错误.

三、在物理实验教学中化理性为感性

高中物理实验原理通常用物理符号进行解释,教师的教学采用传授式的居多,学生往往不知所以然而被动接受、机械地记忆,我们也可将符号转换为数字,从本质上去理解和体验实验原理.

例3半偏法测电流表的内阻的原理及误差分析:如图2所示为测量电流表G的内阻Rg的电路,R1为滑动变阻器,R2为电阻箱,设电流表G满偏电流为Ig,电源电动势为E,内阻不计.

数字体验一设Ig=100μA、Rg约100Ω、滑动变阻器R1最大阻值为200Ω.(1)闭合S1,调节R1,使电流表满偏为100μA,假设此时R1=100Ω.(2)闭合S2,保持滑动变阻器滑片位置不变,调节电阻箱,使电流表半偏为50μA,然后读出电阻箱的示数R2,R2就是电流表的内阻的测量值,即认为Rg=R2.

由于R2与Rg并联后R并约50Ω,电路总电阻由原来的Rg+R1=(100+100)Ω=200Ω变为R并+R1=(50+100)Ω=150Ω,可见并联了R2,导致总电阻减小.如图3,由欧姆定律得总电流由原来的100μA增大到约130μA,总电流增加幅度较大,根据电流表半偏为50μA,分流可得经过R2的电流约80μA,可得R2

数字体验二设Ig=100μA、Rg约100Ω、滑动变阻器R1最大阻值为20KΩ.闭合S1,调节R1,使电流表满偏为100μA,假设此时R1=10KΩ.闭合S2,保持R1不变,调节电阻箱,使电流表半偏为50μA,读出电阻箱的示数R2.

由于R2与Rg并联后R并约50Ω,电路总电阻由原来的Rg+R1=(100+10K)Ω=10.1KΩ变为R并+R1=(50+10K)Ω=10.05KΩ,可见并联了R2,总电阻仍减小,但减少量相对于总阻来说是很小的.如图4,由欧姆定律得总电流由原来的100μA增大到约100.5μA,总电流增加幅度微小,根据电流表半偏为50μA,分流可得经过R2的电流约50.5μA,仍可得R2

综上,为保证总电流尽量稳定,电路的总电阻应由滑动变阻器R1来主导,R1越大,R2的并联对电路的影响就越小.故R1越大越好,同时为保证电流表满偏,R1越大,电源电动势E也相应选较大的.有了这些数字,学生可以把枯燥的理论的转化为形象感性的认识,学习兴趣自然得到提升.

四、在物理习题教学中化疑难为简便

在习题教学中,会遇到求一个物理量与其它量的关系或动态变化规律的问题,若采用常规解法出现过程繁琐、计算费时.我们可以在条件允许的范围内,将题目涉及的某一物理量巧妙地用具体的数字代入,模糊问题定量化,即可通过简单分析判断迅速得出结果.

A.MN上的张力逐渐增大

B.MN上的张力先增大后减小

C.OM上的张力逐渐增大

D.OM上的张力先增大后减小

代入数字解析由于重物向右上方缓慢拉起,故该过程动态平衡,任何一个位置,绳上面的M点所受合力为零.如图6,若物体重力为mg,不妨假设OM和MN之间的夹角α为 120°.

位置1:OM方向竖直时,即初始位置,此时FMN1=0,FOM1=mg;

位置2:MN拉到水平时,FMN2与FOM2的合力与重力平衡,由三角函数得

由此可得FMN1FOM3,即FMN逐渐增大,FOM先增大后减小,故本题正确选项为AD.

总之,我们可以通过数字来透视物理现象,感受物理变化,变纯理论解释为具体的数字演绎,体验物理的科学思维方法.需要注意的是引用的数字的合理性,对于物理条件所制约的物理量的取值要慎重,既能准确客观的反映物理事实,又有较强的说服力,以期提高物理教学的有效性.

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