例談物理教學(xué)中“緩慢”一詞的含義

(江蘇省常熟市教育局教研室，江蘇 常熟 215500)

·試題研究·

例談物理教學(xué)中“緩慢”一詞的含義

陸球

(江蘇省常熟市教育局教研室，江蘇 常熟 215500)

中學(xué)生往往將物理中的“緩慢”與“勻速”“靜止”“受力平衡”等概念混淆起來，造成錯誤判斷，筆者闡明了“緩慢”在力學(xué)、熱學(xué)中的含義，并結(jié)合具體例題予以說明。

物理教學(xué)；緩慢；含義

在物理教學(xué)過程中常會遇到“緩慢”一詞，緩慢在《現(xiàn)代漢語詞典》中的解釋為“不迅速”，但在物理學(xué)中有其特殊的含義，學(xué)生往往將“緩慢”與“勻速”“靜止”“受力平衡”等概念混淆起來，造成對過程判斷的錯誤。

1 “緩慢”在力學(xué)中的含義

在機(jī)械運(yùn)動中，“緩慢”表示對象運(yùn)動過程變化得非常慢，因此可認(rèn)為對象有以下兩個特點(diǎn)：第一，對象在沿空間位置變化的方向上速度可認(rèn)為為零。第二，對象在任意時刻均具有穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)。這里要特別注意的是“緩慢”并不意味著對象的速度真的為零。

圖1

例1(2012年高考全國卷第16題)：如圖1所示，一小球放置在木板與豎直墻面之間。設(shè)墻面對球的壓力大小為N1，球?qū)δ景宓膲毫Υ笮镹2。以木板與墻連接點(diǎn)所形成的水平直線為軸，將木板從圖示位置開始緩慢地轉(zhuǎn)到水平位置。不計摩擦，在此過程中( )。

A.N1始終減小，N2始終增大

B.N1始終減小，N2始終減小

C.N1先增大后減小，N2始終減小

D.N1先增大后減小，N2先減小后增大

圖2

解析：本題中的“緩慢”有以下含義：首先小球在空間位置上發(fā)生了變化，即由于木板的轉(zhuǎn)動，使其位置下移。其次，小球在這個過程中在位置變化的方向上無速度，由于小球原來處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此小球在整個過程中始終保持著“靜止”這種運(yùn)動狀態(tài)。

由上述討論可知小球在過程中受力平衡，利用三力平衡的動態(tài)分析方法(如圖2)，可得答案為B。

(1)彈簧的勁度系數(shù)k；

(2)AB桿中彈力為零時，裝置轉(zhuǎn)動的角速度ω0；

圖3

圖4

解析：題干中出現(xiàn)了三個“緩慢”，第一個“緩慢”表示裝置的角速度增加很慢，可認(rèn)為無角加速度。第二個“緩慢”表示小球在空間位置上發(fā)生了變化即高度上升，但豎直方向上并無速度，小球在該過程中始終保持著“勻速圓周運(yùn)動”這種運(yùn)動狀態(tài)。第三個“緩慢”表示在彈簧縮短的過程中，小球與小環(huán)的空間位置都上升，但均無向上的速度，因此小環(huán)保持“靜止”的狀態(tài)，而小球做勻速圓周運(yùn)動。

(2)由分析可知，小環(huán)始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，小球始終保持著勻速圓周運(yùn)動的狀態(tài)，因此令A(yù)B桿彈力為零時，彈簧長度為x。

圖5

圖6

由于小環(huán)及小球在豎直方向上均無速度，故對系統(tǒng)運(yùn)用動能定理可得：

由本題可見，在理解了三個“緩慢”的含義后，也就抓住了小球與小環(huán)在整個過程中的力學(xué)特征，問題也就迎刃而解了。此外，從本題中我們還發(fā)現(xiàn)小球在“緩慢”這個變化過程并不處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此“緩慢”并不等同于“靜止”。

2 “緩慢”在熱學(xué)中的含義

在熱學(xué)中，“緩慢”一詞往往表示系統(tǒng)的變化過程為“準(zhǔn)靜態(tài)過程”。所謂“準(zhǔn)靜態(tài)過程”指的是系統(tǒng)在過程中經(jīng)歷的每一個狀態(tài)均可看作為平衡態(tài)(平衡態(tài)是指在不受外界條件影響下，經(jīng)過足夠長時間后系統(tǒng)達(dá)到一個宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài))。熱學(xué)中關(guān)于理想氣體的熱力學(xué)定律及其狀態(tài)方程主要是在準(zhǔn)靜態(tài)過程中討論的。

例3(2015年高考江蘇卷第12題)：給某包裝袋充入氮?dú)夂竺芊猓谑覝叵拢袣怏w壓強(qiáng)為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、體積為1L。將其緩慢壓縮到壓強(qiáng)為2個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，氣體的體積變?yōu)?.45L。請通過計算判斷該包裝袋是否漏氣。

解析：該題中的“緩慢”表示包裝袋中的氣體經(jīng)歷的是一個“準(zhǔn)靜態(tài)過程”，由于包裝袋非絕熱，因此可認(rèn)為袋中氣體經(jīng)歷的是一個等溫過程。

若包裝袋不漏氣，由理想氣體的狀態(tài)方程p0V0=2p0V′，可得：V′=0.5L>0.45L，故包裝袋漏氣。

圖7

例4(2011年高考江蘇卷第12題)：如圖7所示，內(nèi)壁光滑的氣缸水平放置。一定質(zhì)量的理想氣體被密封在氣缸內(nèi)，外界大氣壓強(qiáng)為p0。現(xiàn)對氣缸緩慢加熱，氣體吸收熱量Q后，體積由V1增大為V2。則在此過程中，氣體內(nèi)能變化了多少？

解析：該題中的“緩慢”表示在加熱過程中氣缸內(nèi)的氣體經(jīng)歷的是“準(zhǔn)靜態(tài)過程”，此外，在“準(zhǔn)靜態(tài)過程”中，氣體對外界做的功可表示為W′=p0ΔV。

“緩慢”一詞反映的是物理學(xué)中一種理想化的變化過程，對物理問題的分析與解決起到非常重要的作用，因此必須指導(dǎo)學(xué)生正確掌握其含義。

汪志誠.熱力學(xué) 統(tǒng)計物理[M].北京:高等教育出版社,2013.