倪紅飛

(江蘇省太倉高級(jí)中學(xué),江蘇太倉 215400)

2010年江蘇省高考卷的第3題,是一個(gè)以生活中的實(shí)際問題為情景設(shè)計(jì)的試題,體現(xiàn)了物理學(xué)與生活的結(jié)合,對(duì)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力提出了新的要求.如何從實(shí)際問題中獲取信息,把實(shí)際問題抽象、簡化成恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?是解決這類問題的關(guān)鍵.由于實(shí)際問題的復(fù)雜性、開放性,使問題有多種可能的答案,使命題者提供的參考答案面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).

圖1

原題.如圖1所示,置于水平地面的三腳架上固定著一質(zhì)量為 m的照相機(jī).三腳架的3根輕質(zhì)支架等長,與豎直方向均成 30°角,則每根支架中承受的壓力大小為

命題者提供的標(biāo)準(zhǔn)答案為(D),但有相當(dāng)多的考生選了(A)答案.究竟哪個(gè)答案更具說服力,問題還真不那么簡單.

當(dāng)思索著如何評(píng)講這個(gè)試題時(shí),突然靈機(jī)一動(dòng),物理學(xué)與生活相結(jié)合的問題不就是一個(gè)很好的研究性學(xué)習(xí)的課題?于是筆者將“照相機(jī)三腳架受力問題的分析”作為一個(gè)研究性學(xué)習(xí)的課題,布置學(xué)生回家研究,收到了非常好的效果,經(jīng)過研究拿出了他們的研究成果.

觀點(diǎn)1:在模型的抽象時(shí),把支架與上面平臺(tái)部分的連接視為無任何摩擦的鉸鏈,因此,支架對(duì)照相機(jī)作用的彈力方向只能是沿著桿子.此時(shí),支架與地面接觸處,相對(duì)地面有向外滑動(dòng)的趨勢(shì),受到的摩擦力向里,而摩擦力與地面作用的支持力的合力沿桿子方向,所以三腳架桿子間的彈力方向均沿桿子方向.

兩種處理方法的爭論的關(guān)鍵在于:支架對(duì)照相機(jī)作用的彈力,方向是沿著桿子還是豎直向上?那么,哪一種模型的抽象與實(shí)際情況相符呢?

這涉及到對(duì)照相機(jī)三腳架的結(jié)構(gòu)及使用的認(rèn)識(shí).

圖2

于是,有學(xué)生專門借來了照相機(jī)三腳架,并請(qǐng)教攝影師,搞清了照相機(jī)三腳架的結(jié)構(gòu)及使用.如圖2為照相機(jī)三腳架的結(jié)構(gòu)圖.

三腳架是攝影師必不可缺的裝備,它的主要作用就是能穩(wěn)定照相機(jī),以達(dá)到理想的攝影效果.最常見的就是在長時(shí)間曝光中使用三腳架,如拍攝夜景時(shí),需要加大曝光時(shí)間,這時(shí),相機(jī)不能抖動(dòng).三腳架使用時(shí),支架與豎直方向的張

角通常處于最大,支架與上面平臺(tái)部分緊緊鎖定在一起,此時(shí),支架與地面接觸處,無相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì),也就沒有摩擦力作用,因此,置于水平地面的三腳架和固定著的照相機(jī)可視為一個(gè)剛體,地面對(duì)三腳支架的作用力均豎直向上,觀點(diǎn)2更接近事實(shí).

爭論到此,答案似乎明了.那么,支架中各部分間的作用力真的這么簡單嗎?此時(shí),筆者又提出了另一個(gè)課題,“支架中各部分間的作用力的研究”.經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),支架中各部分間的作用力遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜.下面是他們進(jìn)一步的研究成果.

圖3

在遠(yuǎn)離地面處,對(duì)地面上的一部分支架進(jìn)行分析,受力如圖4,這部分支架除了受地面支持力和上面部分作用的向下的壓力外,還受到一力偶矩的作用,根據(jù)一般物體的平衡條件,物體所受合外力為零,合力矩為零.即

圖4

圖5

從三腳架實(shí)際使用情況分析,支撐腳角度不鎖定時(shí),支撐腳容易產(chǎn)生側(cè)滑;支撐腳角度鎖定時(shí),由于力偶矩的作用,連接處承受著巨大的作用力,為了有效地解決這個(gè)問題,有人發(fā)明了如圖5所示的三腳架.它既很好地解決了支撐腳側(cè)滑問題,又減小了鎖定處承受的作用力過大問題.

照相機(jī)三腳架受力問題的分析,是一個(gè)以生活中的實(shí)際問題為情景設(shè)計(jì)的試題,從一個(gè)高考試題的研究,演化成了一次研究性學(xué)習(xí)的課題研究,學(xué)生得到的收獲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了命題者的意圖.同時(shí),也提醒了高考的命題者,以生活中的實(shí)際問題為情景設(shè)計(jì)的試題,由于實(shí)際問題的復(fù)雜性、開放性,問題在不同的情形中可能有不同的答案,這對(duì)命題者提出了更高的要求.