新疆 何明會

與教材《3-1》內(nèi)容相關(guān)的STS問題賞析

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物理知識回歸生活、社會，方能體現(xiàn)其應(yīng)用的價值。

應(yīng)用STS問題考查學(xué)生的能力對現(xiàn)行教學(xué)跳出題海、走進社會生活具有良好的導(dǎo)向作用，并成為當(dāng)下高考命題的重要組成部分。所以，在二輪復(fù)習(xí)后，用一些STS問題再次活化知識及其應(yīng)用，并為緊張的復(fù)習(xí)帶來更多的興趣點，不失為一種有效的復(fù)習(xí)方法。

一、以“陰極射線示波管”為題源，提高學(xué)生的分析綜合能力

【例1】（2015·江西高安模擬）陰極射線示波管的聚焦電場是由電極A1、A2形成的，其中虛線為等勢線，相鄰等勢線間電勢差相等，z軸為該電場的中心軸線（管軸）。電子束從左側(cè)進入聚焦電場后，在電場力的作用下匯聚到z軸上，沿管軸從右側(cè)射出，圖1中P、Q、R是一個從左側(cè)進入聚焦電場的電子運動軌跡上的三點，則可以確定 （ ）

A.電極A1的電勢高于電極A2的電勢

B.電場中Q點的電場強度小于R點的電場強度

C.電子在R點處的動能大于在P點處的動能

D.若將一束帶正電的粒子從左側(cè)射入聚焦電場也一定被匯聚

【解析】根據(jù)電場線與等勢面互相垂直的特點，可粗略畫出該電場中的電場線，根據(jù)題意可知，電子束從左側(cè)進入聚焦電場后，在電場力的作用下匯聚到z軸上，電子所受到的電場力斜向右下方，在圖中運動過程中，電場力做正功，電子電勢能減小，電子的動能增加，則電極A1的電勢低于電極A2的電勢，因此，A項錯誤，C項正確；在電場中，等勢面密集的地方場強大，因此，Q點的電場強度小于R點的電場強度，B項正確；場強不變的情況下，正電荷所受電場力方向與負(fù)電荷所受電場力方向相反，因此，匯聚電子束的電場必定會發(fā)散正電荷，D項錯誤。

【答案】BC

【感悟】由帶電粒子在電場中的運動軌跡判斷相關(guān)物理量的要點為：

（1）判斷矢量方向。若運動軌跡為曲線，速度方向為軌跡的切線方向，合力（加速度）方向指向曲線的凹側(cè)，由力的方向結(jié)合電荷的電性判斷電場線方向，由電場線方向分析判斷電勢高低，涉及等勢線問題時，掌握等勢線與電場線永遠垂直，還要盡可能將等勢線轉(zhuǎn)化為電場線判斷。

（2）判斷物理量大小。電場線疏密反映了電場強度的強弱以及電場力的大小，沿電場線方向電勢減弱；若合力做正功，粒子動能增大，若電場力做正功，電勢能減小。

另外要注意的是“看清”粒子的電性和是否考慮重力，這些問題很多是隱含在題干中的。

二、以“電動汽車”為題源，提高學(xué)生的理解能力

【例2】（2015·山東日照質(zhì)檢）機動車的尾氣含有鉛等大量有害物質(zhì)，并且也是造成地球“溫室效應(yīng)”的重要因素之一。電動汽車因其無尾氣排放且噪音小等因素，正在逐漸被人們接受。某國產(chǎn)品牌電動汽車的銘牌如下，已知蓄電池儲存的電能等于其容量乘輸出電壓，則下列說法正確的是 （ ）

規(guī) 格 后輪驅(qū)動直流電動機車型：60″電動汽車 電動機額定輸出功率：1 675W整車質(zhì)量：400kg 額定轉(zhuǎn)速：600r/min蓄電池（容量：It＝800Ah，輸出電壓：U≥36V） 額定工作電壓/電流：36V/50A

A.電動汽車正常工作時消耗的電功率為1 675W

B.電動機的內(nèi)阻為0.05Ω

C.蓄電池充滿電后儲存的電能不小于1.04×108J

D.充滿電后在額定功率下連續(xù)行駛的時間不小于16h

【解析】電動汽車正常工作時消耗的電功率P＝IU＝36V×50A＝1 800W，A項錯誤；根據(jù)P內(nèi)＝P總-P輸出＝I2r解得電動機的內(nèi)阻r＝0.05Ω，B項正確；蓄電池充滿電后儲存的電能E＝IUt≥36V×800Ah＝36V×800A× 3 600s＝1.04×108J，C項正確；設(shè)充滿電后在額定功率下連續(xù)行駛的時間為t′，則Pt′＝E（蓄電池充滿電后儲存的電能），即1 800W×t′≥36V×800Ah，解出t′≥16h，故D項正確。

【答案】BCD

【感悟】在非純電阻電路的計算中，要注意非純電阻用電器兩端的電壓并非全部加在用電器內(nèi)阻上，只有在輸出功率為零時（此時電路變?yōu)榧冸娮桦娐罚﹥烧卟畔嗟?。但是，無論在純電阻電路還是在非純電阻電路中，發(fā)熱功率都是I2r。處理非純電阻電路的計算問題時，要善于從能量轉(zhuǎn)化的角度出發(fā)，利用“電功＝電熱＋其他能量”尋找等量關(guān)系求解。

三、以“電磁炮”為題源，提高學(xué)生的理解能力

【例3】（2015·北京朝陽區(qū)期末）電磁炮有很多優(yōu)點，備受各國軍事家的重視，如圖2是導(dǎo)軌式電磁炮實驗裝置的示意圖。兩根平行長直金屬導(dǎo)軌沿水平方向固定，導(dǎo)軌中間安放金屬滑塊（即實驗用彈丸）?；瑝K可沿導(dǎo)軌無摩擦滑行，且始終與導(dǎo)軌保持良好接觸。電源提供的強大電流從一根導(dǎo)軌流入，經(jīng)過滑塊，再從另一導(dǎo)軌流回電源。滑塊被導(dǎo)軌中電流形成的磁場推動而發(fā)射。在發(fā)射過程中，滑塊所在位置始終可以簡化勻強磁場，方向垂直于紙面，磁感應(yīng)強度與電流的關(guān)系為B＝kI，如果兩導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)間距為l，滑塊的質(zhì)量為m，滑塊沿導(dǎo)軌滑行距離s后，獲得的發(fā)射速度為v。以下說法中正確的是 （ ）

A.若使電流和磁感應(yīng)強度的方向同時反向，滑塊的發(fā)射方向也將隨之反向

B.若將電源提供的電流加倍，則滑塊沿導(dǎo)軌滑行距離s后獲得的發(fā)射速度為2v

C.若將電源提供的電流加倍，則滑塊沿導(dǎo)軌滑行距離s后獲得的發(fā)射速度為4v

D.若使滑塊的質(zhì)量加倍，則滑塊沿導(dǎo)軌滑行距離s后獲得的發(fā)射速度為

【解析】由安培定則知，當(dāng)電流方向改變時磁場方向同時發(fā)生改變，由左手定則判斷得出，滑塊所受安培力方向不變，A項錯誤；以滑塊為研究對象，從開始到發(fā)射的過程由動能定理得，綜合解得若將電源提供的電流I加倍，由可知，滑塊沿導(dǎo)軌滑行距離s后獲得的發(fā)射速度為2v，B項正確，C項錯誤；若使滑塊的質(zhì)量加倍，由可知，滑塊沿導(dǎo)軌滑行距離s后獲得的發(fā)射速度為，D項錯誤。

【答案】B

【感悟】作為磁場中的另一個考查熱點——安培力問題要理解以下內(nèi)容。

（1）基礎(chǔ)性。磁感應(yīng)強度為矢量，矢量運算遵循平行四邊形定則。用安培定則準(zhǔn)確判斷幾種電流的磁場。用左手定則判斷安培力的大小，能理解F＝BIl中的有效長度即公式的應(yīng)用。

（2）綜合性。以導(dǎo)體桿為題，設(shè)置相應(yīng)的STS問題，如電流天平、電磁炮等，具體內(nèi)容涉及平衡，解決依據(jù)是F合＝0；動力學(xué)問題，解決依據(jù)是F合＝ma和動能定理W合＝ΔEk。以上對應(yīng)問題分析受力時要善于將空間圖景轉(zhuǎn)換為平面圖景。

四、以“回旋加速器”為題源，提高學(xué)生的分析綜合能力

【例4】回旋加速器是用來加速帶電粒子的裝置，圖3為回旋加速器的示意圖。D1、D2是兩個中空的鋁制半圓形金屬扁盒，在兩個D形盒正中間開有一條狹縫，兩個D形盒接在高頻交流電源上。在D1盒中心A處有粒子源，產(chǎn)生的帶正電粒子在兩盒之間被電場加速后進入D2盒中。兩個D形盒處于與盒面垂直的勻強磁場中，帶電粒子在磁場力的作用下做勻速圓周運動，經(jīng)過半個圓周后，再次到達兩盒間的狹縫，控制交流電源電壓的周期，保證帶電粒子經(jīng)過狹縫時再次被加速。如此，粒子在做圓周運動的過程中一次一次地經(jīng)過狹縫，一次一次地被加速，速度越來越大，運動半徑也越來越大，最后到達D形盒的邊緣，沿切線方向以最大速度被導(dǎo)出。已知帶電粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，加速時狹縫間電壓大小恒為U，磁場的磁感應(yīng)強度為B，D形盒的半徑為R，狹縫之間的距離為d。設(shè)從粒子源產(chǎn)生的帶電粒子的初速度為零，不計粒子受到的重力，求：

（1）帶電粒子能被加速的最大動能Ek；

（2）帶電粒子在D2盒中第n個半圓的半徑；

（3）若帶電粒子束從回旋加速器輸出時形成的等效電源為I，求從回旋加速器輸出的帶電粒子的平均功率。

【解析】（1）帶電粒子在D形盒內(nèi)做圓周運動，軌道半徑達到最大時被引出，此時帶電粒子具有最大動能Ek，設(shè)粒子從D形盒邊緣離開時的速度為vm。

（2）帶電粒子在D2盒中第n個半圓是帶電粒子經(jīng)過窄縫被加速2n-1次后的運動軌道，設(shè)其被加速2n-1次后的速度為vn

此后帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，半徑為rn

帶電粒子從回旋加速器輸出時的平均功率

【引申】速度選擇器、回旋加速器、質(zhì)譜儀、電磁流量計、霍爾效應(yīng)、電視機顯像管等教材中非常重要的應(yīng)用原理要一一理清，構(gòu)建模型并用之解決更多的新問題。下舉幾例說明。

速度選擇器 電磁流量計 霍爾效應(yīng)

續(xù)表

五、以“篩選器”為題源，提高學(xué)生的綜合分析能力

（1）金屬板MN上所加電壓U的大??；

（2）圓筒轉(zhuǎn)動的最小角速度；

（3）若要求電子從一個孔進入圓筒后必須從另一個孔射出來，圓筒轉(zhuǎn)動的角速度多大？

俯視圖如圖5所示，電子在通過圓筒時轉(zhuǎn)動的圓心角為α，由幾何關(guān)系知

【感悟】電場加速、磁場偏轉(zhuǎn)的組合形式是組合場命題的基本元素。難點在于磁場的偏轉(zhuǎn)，而磁場多為有界場，所以，邊界為三角形、矩形、半圓形、圓形甚至其他幾何邊界時，帶電粒子運動軌跡與邊界會發(fā)生怎樣的“故事”？遇到臨界態(tài)（動態(tài)放縮法、旋轉(zhuǎn)平移法）怎么處理？這些問題在《教學(xué)考試》物理刊的其他文章中都陸續(xù)說明，希望讀者自行歸類總結(jié)。

（作者單位：新疆阿克蘇市第六中學(xué)）