習題教學是物理教學中的重要組成部分,在習題的選擇上應突出“一個好的習題,就是一個科學問題”。學生是否會做題成為高中物理教學質量的重要評價指標之一,在習題教學中通過對所學知識的復述、深化和應用,使學生達到知識的鞏固、內化,發(fā)展學生的認知結構,進而起到提高培養(yǎng)學生的分析問題和解決問題的能力;同時習題教學應注重學生解決問題的過程,關注對學生對物理思想的理解、對物理方法的掌握、對物理建模能力的培養(yǎng)以及良好思維習慣的養(yǎng)成。因此教師要對加強對典型習題的研究,用好習題課,努力提高物理教學的質量。
例1:磁流體發(fā)電是一項新興技術,它可以把物體的內能直接轉化為電能。圖1是它的示意圖,平行金屬板A、B之間有一個很強的磁場,將一束等離子體(即高溫下電離的氣體,含有大量正、負帶電粒子)噴入磁場,A、B兩板問便產生電壓。如果把A、B和用電器連接,A,B就是一個直流電源的兩個電極。
(1)圖中A、B板哪一個是發(fā)電機的正極?(2)若A、B兩板相距為d,板間的磁感應強度為B,等離子體以速度v,沿垂直于B的方向射入磁場,該發(fā)電機的電動勢是多大?
解析:(1)當?shù)入x子體噴入磁場后.粒子將受到洛倫茲力的作用,由左手定則可以判斷出正離子受到向下的作用力,打到B板上;負離子受到向上的作用力而打到A板上,A、B兩板間便會產生電壓。如果把A,B和用電器連接,A、B就是一個直流電源的兩個電極。其中B板相當于發(fā)電機的正極。A板相當于發(fā)電機的負極。(2)當正負離子分別打到兩個極板上后,就會在A、B兩板間形成電場。電場的方向由B板指向A板,A、B兩板問的電壓即為發(fā)電機的電動勢(外電路斷開)。離子在AB間受到電場力和洛倫茲力,電場力和洛倫茲力的方向相反,當它們相等時。離子將不再偏轉。由Bqv= q得磁流體發(fā)電機的電動勢U=Bdv。
通過上述的分析可知,磁流體發(fā)電機是利用了磁場對運動電荷的作用力,使正負粒子朝不同方向偏轉從而在兩極板間形成電勢差。該題是以磁流體發(fā)電機為背景,通過對其工作原理的研究不難得出本題實際上是“霍爾效應”的具體應用。
拓展1:磁強計
例2:磁強計實際上是利用霍爾效應來測量磁感應強B的儀器.其原理可解釋為:如圖3所示,一塊導體接上a、b、c、d四個電極,將導體放在勻強磁場之中,a、b間通過電流I,c、d間就會出現(xiàn)電勢差,只要測出c、d問的電勢差U,就可測得B。
設c、d間電勢差已達穩(wěn)定,則U=E 既此時自由電荷受到的電場力與洛倫茲力相平衡,qE=Bqv,式中v為自由電荷的定向移動速度,由此可知,B= 設導體中單位體積內的自由電荷數(shù)為n,則電流I=nqvS,式中S為導體橫截面積,S= d。因此v= 。由此可知,B正比于U,只要裝置先在已知磁場中定標,就可以通過測U來測量B的大小了。
磁強計是已知 ,d,I,通過測U來確定B的大小。
拓展2:電磁血流計
例3:醫(yī)生做某些特殊手術時,利用電磁血流計來監(jiān)測通過動脈的血流速度。電磁血流計由一對電極a和b以及磁極N和S構成,磁極間的磁場是均勻的。使用時,兩電極a、b均與血管壁接觸,兩觸點的連線、磁場方向和血流速度方向兩兩垂直,如圖4所示。由于血液中的正負離子隨血流一起在磁場中運動,電極a、b之間會有微小電勢差。在達到平衡時,血管內部的電場可看作是勻強電場,血液中的離子所受的電場力和磁場力的合力為零。在某次監(jiān)測中,兩觸點的距離為3.0mm,血管壁的厚度可忽略,兩觸點間的電勢差為160μV,磁感應強度的大小為0.040T。則血流速度的近似值和電極a、b的正負為( )
A. 1.3m/s ,a正、b負 B. 2.7m/s , a正、b負
C.1.3m/s,a負、b正 D. 2.7m/s , a負、b正
解析:依據(jù)左手定則,正離子在磁場中受到洛倫茲力作用向上偏,負離子在磁場中受到洛倫茲力作用向下偏,因此電極a、b的正負為a正、b負;當穩(wěn)定時,血液中的離子所受的電場力和磁場力的合力為零,則 ,可得 ,A正確。
電磁血流計是已知U,d,B,來確定v的大小。
從以上幾個例子可以看出,此類習題情境設計注重加強物理與科技、生活、現(xiàn)代社會的聯(lián)系,側重考查學生運用所學物理知識解決科技、生活和社會中問題的能力,考查物理學科分析問題與解決問題的方法。
與之相關應用的習題很多,由于篇幅有限在此就不一一例舉。
習題之多浩如煙海,而課堂時間是有限的,要提高效率,習題的質量是關鍵,要求習題精編精選,要關注習題的科學性、典型性,講評的時候要能以點帶面,精講一道題,能讓學生掌握一種類型的題型,進一步鞏固所學知識。如何解決無限的習題與有限的時間的矛盾;如何在復習課中定位習題教學,并提高習題課的效率,把重復的、盲目的、低效的訓練變?yōu)獒槍π詮姷?、目標明確的、高效的練習。以點帶面,深入淺出,切實提高物理習題教學的有效性,是每一位物理教師必須認真研究的一個課題。
(作者單位:福建省永安一中)