例說物理題目情境的真實性

何家新

《義務教育物理課程標準》（2011版）中指出：紙筆測驗的試題和課后的作業題，應盡量創設與生產、生活相聯系的情境……在設計這些試題時，注意題目的取材應盡量貼近生活，情境設計符合實際情況，數據合理等。為此廣大物理教師及教材、教輔資料的編寫者都作出了很大努力，以實現物理與生產、生活相聯系的目標，但也有一些做得不到之處，下面試舉幾例。

例1.（2014·郴州中考）三峽船閘是世界上最大的，共有5級閘室。現有一艘輪船從水位是150 m的上游進入首級閘室，當首級閘室的水位降到130 m時，輪船就可以進入下一級閘室了。其首級人字閘門每扇門高40 m，寬20 m，厚3 m，由鋼制材料制成（鋼的密度取ρ鋼=8×103 kg/m3，g取10 N/kg）。求：

（1）其中一扇首級人字閘門的體積；

（2）其中一扇首級人字閘門的質量；

（3）輪船通過首級閘室的過程中，閘室底部受到水的壓強減小了多少？

進行簡單的計算可知，其中一扇首級人字閘門的體積是V=40 m×20 m×3 m=2400 m3，質量是m=ρ鋼V=8×103 kg/m3×2400 m3=1.92×107 kg=19200 t。一扇閘門的質量就將近2萬噸！真的如此嗎？上網查一下相關數據發現，三峽船閘的確是當今世界上最大的，它最大的一扇首級人字閘門高38.5米（一說39.5米）、寬20.2米、厚3米，質量850 t。試題中為了減輕學生的計算量，閘門的尺寸數據取相近的整數，這無可厚非，但計算出來的質量相差如此之大，這是為什么呢？其實這很簡單，閘門不是實心的！它是一個表面用鋼板密封的鋼架結構。因此，題目的情境設置表面上看沒問題，利用這個真實的情境可以激起學生的民族自豪感，可實際中卻是條件不足，無法計算。

例2.（人教版義務教育教科書物理八年級下冊第38頁“動手動腦學物理”第4題，2012年10月第1版，2013年10月第1次印刷）工程師為什么要把攔河壩設計成下寬上窄的形狀？三峽水電站的大壩高185 m，當水庫水位為175 m時，壩底受到的水的壓強是多大？

還是關于三峽的題目，這次是出現在教科書中，但問題還是情境夠真實，數據卻不足，結果仍然是無法計算。我們看一下相關的資料：三峽水庫總庫容393億立方米，大壩長2335米，底部寬115米，頂部寬40米，高程185米，正常蓄水位175米，最大澆筑壩高181米，大壩下游的水位約海拔66米，壩下通航最低水位海拔62米，通航船閘上下游設計最大落差113米。水電站總裝機容量2250萬千瓦，是全世界裝機容量最大的水力發電站。可見，根據題目中“水庫水位為175 m”的數據，并不能計算壩底受到的水的壓強，因為水庫的水位是海拔高度，并不是水面到壩底的水的深度！實際水的深度要比這小得多，按照大壩高程（即海拔高度）185米，最大澆筑壩高181米（這是指真正澆筑混凝土的高度而不是海拔高度），可知大壩基礎底部海拔高度為4米，但大壩基礎的底部不可能在江底表面有江水的地方（就像起大樓打基礎不可能在地面上），所以肯定還深入江底之下，因此實際壩底有江水的地方的海拔高度要比4米高，這樣水深就遠小于175米（但要比最大落差113米大一些）。

例3.（人教版義務教育教科書物理九年級全一冊第110頁例題，2013年6月第1版，2014年6月第1次印刷）炎炎夏日即將來臨，明明家新購置了一臺1 kW的空調。已知他家原有用電器的總功率是5600 W，電能表上標有“220 V 10（40） A”的字樣。請你通過計算說明：

（1）使用這臺空調時，通過它的電流是多少？

（2）從電能表使用的角度考慮，明明家的電路是否允許安裝這樣一臺空調？

教材給出的解答為：這臺空調的電流為I1=4.5 A，增加這臺空調后明明家的用電器總電流為I=30 A<40 A，可以安裝。

事實上，這一解答是有問題的，對于空調這類非純電阻單相交流電路來說，計算電功率與電壓、電流之間關系時，P=UI是不適用的，此時應用P=UIcosφ來計算，其中cosφ是功率因數，所以本題還是條件不足，無法解答。當然，實際家用空調機的功率因數可達0.8～0.9甚至更高，當僅考慮電能表能否承受時，直接用P=UI來估算未嘗不可，但如果未加說明就直接這樣計算，會引起教師、學生的誤解，有損于教材的科學性和嚴謹性。其實對于非純電阻交流電路有關計算，初中階段未作要求，因此用這一題目作例題并不合適。

例4.（2014·邵陽中考）2013年2月，我國科學家研究出了一種超輕材料，這種材料被稱為“全碳氣凝膠”。它是迄今為止世界上最輕的材料，其密度僅0.16 kg/m3，則體積為2 m3的這種氣凝膠的質量為 kg。

該題又是一道與實際似是而非的題目，這應該是未加分析就照抄新聞報道的結果。密度為0.16 kg/m3，新聞報道中是這樣寫的，但考慮一下，這比空氣的密度1.29 kg/m3還小得多，這個全碳氣凝膠在空氣中豈不是像氫氣球一樣會漂起來？如果不加說明，極易引起誤解。實際上全碳氣凝膠在空氣中并不會漂浮起來，它就像一個內部充滿了空氣的海綿，0.16 kg/m3這一數值是在排除空氣后的密度值，或者說是不考慮空氣的浮力作用時測得的值。對于這種密度很小的物質，空氣的浮力作用不可忽略，應該像對待氣體那樣排除空氣的浮力影響來標明其密度值，如果這樣，全碳氣凝膠的密度應該標為1.45 kg/m3。

課程標準中提到：義務教育物理課程旨在提高學生的科學素養，讓學生養成實事求是、尊重自然規律的科學態度，不迷信權威，勇于創新，有判斷大眾傳媒信息是否符合科學規律的初步意識。作為物理教師要自己先做到，才能培養學生達到這一課程目標，為此在命題時要慎之又慎，避免設置一些似是而非的物理情境。

編輯 段麗君