利用身邊工具解析物理問題

摘要：本文對探究式學習的特殊操作方式進行了探討，希望對目前的探究式教學有所啟迪。

關鍵詞：動態物理過程 計算機模擬 工具的使用 學具

形象思維是人的頭腦運用表象來進行思維，而表象是在感知的基礎上產生的。充分利用各種方法對物理事件的展現，能很好地促進學生感覺和知覺發揮作用，能夠促進學生思維能力的提高。為學生提供恰當的直觀材料，幫助學生能夠順利進行物理思維活動，我們首先想到的是用計算機模擬，然而如果你是有心人，你會發現借助身邊的其它工具，用簡單實驗就能清楚顯現物理過程，更方便，更有優勢。

一、利用透明尺子

透明直尺是學生常用的作圖工具。下面就幾個題目，說明如何借助透明尺子求解動態物理問題。

例1：簡解橫波某時刻的波形圖線如圖所示。由此圖可知

（A）若質點a向下運動，則波是從左向右傳播的

（B）若質點b向上運動，則波是從左向右傳播的

（C）若波從右向左傳播，則質點c向下運動

（D）若波從右向左傳播，則質點d向上運動（97年全國高考試題）

簡解：將一個透明尺子重疊在圖上，然后用碳素鋼筆在尺子上畫出與原波形重疊的正弦波和橫軸，將重疊的尺子沿x軸做微小的左右移動，以此表示波的左右傳播，因質點a、b、c、d垂直于x軸振動，結合原波形和透明尺子上的波形，即可判斷答案為B、D。

評析：動態物理問題既是學生學習的難點也是考試的熱點，機械波的動態問題更是難中之難，但這類問題都可以借助透明尺子求解，使透明尺子既是作圖工具，又是“學具”。

例2：以初速2V₀豎直上拋一物體后，又以初速V₀在同一位置豎直上拋另一物體，若要使兩物體能在空中相遇，兩物體拋出的時間間隔必須滿足什么條件？

簡解：本題可列運動方程求解，但最簡捷的方法是利用S—t圖像和尺子求解。豎直上拋的物體的S—t圖像是一條拋物線，以2V0豎直上拋的物體的S—t圖像如圖線①所示，以V0豎直上拋的物體的S—t圖像如圖線②所示，若要使兩物體能在空中相遇，兩物體的S—t圖線必相交于一點，在尺子上重疊畫出圖線②和橫軸，并從②位置逐漸沿橫軸移動尺子經過③、④位置，由圖可知，圖線從③移動到④過程中與①相交，所以兩物拋出的時間間隔必須滿足的條件：2V0/g<△t<4V0 /g ，兩物體才能在空中相遇 。

評析：從這種方法還可以得到，后拋出物體是在上升過程還是下落過程與先拋出的物體相遇，把尺子上的拋物線從最高點分為左右兩邊，若尺子上的拋物線的右邊和①相交則是下落過程與先拋出的物體相遇，若左邊和①相交則是上升過程與先拋出的物體相遇，而先拋出的物體只能在下落時與后拋出物體相遇。

二、利用硬幣

若利用硬幣展示與圓周運動有關的動態物理情景，將會大大降低解題難度，提高解題速度。

例3：如圖所示，在x軸的上方(y≥0)存在著垂直于紙面向外的勻強磁場，磁感強度為B，在原點O有一個離子源向x軸上方的各個方向發射出質量為m、電量為q的正離子，速率都為V，對那些在xy平面內運動的離子，在磁場中可能達到的最大x=_________，最大y=______________。（97年全國高考試題）

簡解：由左手定則可得，帶電粒子沿順時針做勻速圓周運動，其圓周軌道都經過O點，可以用一個圓周邊緣與Ｏ點相交的硬幣在此平面上移動，硬幣在x軸之上的一段圓弧表示運動軌跡，可見，帶電粒子可能達到的最大x、y都為運動軌道的直徑D=2mV/qB 。

評析：通過移動硬幣還可以得到，在圓周上距離O點最遠點的軌跡，它是以O點為圓心、以硬幣直徑D為半徑的圓周。若某一位置有一擋板，還可以方便地求出粒子打在擋板上的范圍。對于許多以相同速率在同一平面上、且在勻強磁場中運動的帶電粒子都可以這樣求解，這種方法還可以求解復雜的競賽題，如：

例4：如圖所示，在xy平面上有一片稀疏的電子(其間的相互作用可以忽略)，在-H

①所有電子都能在磁場力的作用下通過坐標原點；

②這一片電子最后擴展到-2H

簡解：依題意，本題具有對稱性和相似性。先考慮第一象限，設勻強磁場方向垂直于紙面向里，從O點射出的電子其軌道為一組過O點的圓環，如下圖②③，要使做圓軌道運動的電子最后平行于x軸運動，離開磁場時應在軌道的最高點，即圓心的正上方離圓心距離為R，而圓心軌跡為以O為圓心的圓環①，所以磁場區域應在以點（0，R）為圓心的圓周④內的一個圓形區域里，通過轉動硬幣可得圓周③是能進入第一象限磁場區域的一個邊界軌道，所以第一象限磁場區域是圓周③④所圍成的實線封閉區。

第四象限與第一象限關于X軸對稱，可將第一象限的磁場區域連同磁場一起繞Ｘ軸旋轉180o得到，而第二、三象限與第一、四象限關于Ｙ軸相似，由于帶電粒子運動的寬度與運動半徑有關，由計算可得左、右兩邊總寬度分別等于各自的圓環直徑，而r＝mV/eB ，所以B₂=B₃=2B₁=2B₄，由此可得磁場區域為如右圖蝶形區域。

評析：這是一道很復雜的試題，然而通過硬幣的移動使動態物理過程躍然紙上，從而使解題過程簡捷明了。

綜上所述，利用生活中的簡單工具，分析動態的物理過程，可以幫助學生在頭腦中建立形象、直觀的物理情景，從而提高解題速度和解題的正確率。