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        新高考背景下高中物理試題情境應用探討*——以“矢量圓”為例

        2021-11-06 04:00:00管佩磊
        物理通報 2021年11期
        關鍵詞:水速題圖金星

        管佩磊

        (深圳市南山區(qū)教育科學研究院 廣東 深圳 518052)

        丁 龍

        (深圳市育才中學 廣東 深圳 518067)

        中國高考評價體系中,明確新高考以情境為載體考查學生能力.物理命題情境創(chuàng)設、學生情境分析模型遷移能力都是我們一線教學要研究的.圓在中學物理涉及的比較多,巧妙地應用圓,有利于把抽象的過程直觀化,便于動態(tài)過程分析.應用“矢量圓”解題可使問題變得十分簡單.

        1 矢量圓及其本質特征

        矢量圓是研究對象有3個物理矢量,其中一個變化的矢量端始終落在一個圓周上,作出這個圓,便是“矢量圓”.矢量圓的典型特征是3個矢量構成一個三角形,第一個矢量始終不變,第二個矢量大小不變、方向變化,第三個矢量大小、方向都變,且第二個和第三個矢量相互制約.

        2 矢量圓在不同物理情境中的應用

        2.1 力矢量變化情境

        情境示例1:如圖1所示,質量為m的小球,用一細繩懸掛于O點,現(xiàn)作用于小球一個大小恒定、方向變化的外力F(F

        圖1 力矢量情境示例題圖

        分析:三力動態(tài)平衡,小球重力大小方向都不變,外力F大小不變、方向變化,細繩對小球的拉力大小、方向都變化,屬于矢量圓的模型.因此,如圖2所示,圖解思路如下.畫出力的圖示,OO′表示重力,箭頭代表方向,然后根據(jù)三力平衡的“矢量三角形”特點,以O′為圓心,以外力F大小不變的線段為半徑畫圓,則圓周上的部分點就是這個矢量三角形的一個端點,O到圓周上的點的有向線段就是細繩的拉力.從圖2可以看出細繩拉力與圓周相切時,細繩拉力與豎直夾角最大,可求.

        圖2 力矢量情境分析圖

        拓展1:如圖3所示,豎直平面內的圓盤上固定著一個質量為m的小球(可視作質點),小球與圓盤的圓心O距離為r.現(xiàn)使圓盤繞圓心的軸以ω的角速度勻速轉動,求圓盤對小球的作用力與豎直方向夾角的最大值.

        圖3 力矢量拓展題圖

        分析:小球受重力和圓盤對小球的作用力,重力是恒力,圓盤對小球的作用力是大小和方向都變化的力,由于做勻速圓周運動,所以小球所受合力始終指向圓心,且大小恒為mω2r.如圖4解法思路,畫矢量圓.當F2與圓相切時,圓盤對小球作用力方向與豎直方向夾角最大,可解.

        圖4 力矢量拓展題分析圖

        2.2 速度矢量變化情境

        情境示例2:如圖5所示,小船過河問題,水速為v水,船在靜水中的航速為v船,河岸的寬度一定,當v水>v船時,求小船過河的最短航線問題.

        圖5 速度矢量情境示例題圖

        分析:水速大小、方向不變,船速大小不變、方向變化,合速度方向和大小因船速的方向變化而變化.因此如圖6解思路如下,先畫出表示水速v水的有向線段OO′,然后以水速箭頭O′端為圓心,以船速v船的大小為半徑畫圓,則O到圓周上部分點的有向線段為合速度,也就是小船過河的航線方向.可以看出,當連線與水速夾角最大時,航線最短.

        圖6 速度矢量情境分析圖

        拓展2:如圖7所示,在光滑水平面上的一小球以速度v1做勻速直線運動,在同一水平面小球運動路線的一側B點有個球洞.當球運動到A點時,給球一個最小速度v2使它能夠進洞,求此最小速度v2的大小和方向.

        圖7 速度矢量拓展題圖

        分析:要使小球能夠進洞,則需要小球能夠沿著AB方向有合速度,由于小球現(xiàn)有速度v1確定.所以如圖8根據(jù)矢量圓圖解,以v1末端為圓心畫圓,有的圓與AB相交,有的圓與AB相切,也有沒有交點的.當與合速度方向(即AB方向)相切時,此時圓的半徑所在的有向線段即為v2的最小速度,速度方向與AB垂直.

        圖8 速度矢量拓展題分析圖

        2.3 位移矢量變化情境

        情境示例3:如圖9所示,假設地球與金星都繞太陽做勻速圓周運動(天體均可看作質點),日地距離為r1,金星與太陽距離為r2,在天體運行過程中,金星與地球連線與日地連線的最大張角是多少?

        圖9 位移矢量情境示例題圖

        分析:在這個模型情境中,分析張角變化時,由于金星周期小,可以將日地連線的位移r1看作不變,金星與太陽連線位移r2大小不變、方向變化,地球與金星的連線位移L大小、方向都在變化.因此如圖9解題思路為,先畫出地球與太陽連線位移,以太陽為圓心,以金星繞日連線位移r2為半徑畫圓,地球到金星運動圓周上的部分點的有向線段為地球到金星的位移L,可以看出,當L與圓周相切時,張角最大.

        拓展3(2020年高考全國卷Ⅰ第18題):如圖10所示,一勻強磁場的磁感應強度大小為B,方向垂直于紙面向外,其邊界如圖中虛線所示,ab為半圓,ac和bd與直徑ab共線,a,c間距等于半圓半徑,一束質量為m,電荷量為q的粒子,在紙面內從c點垂直于ac射入磁場,這些粒子具有各種速率,不計粒子之間相互作用.求在磁場中粒子運動的最長時間.

        圖10 位移矢量拓展題圖

        分析:顯然粒子在磁場中轉過的軌跡對應的圓心角越大,則α越大,粒子運動時間越長.雖然三段位移沒有恒定的一段,但是粒子在磁場中運動軌跡的圓心始終在cd這條直線上,依然可以用矢量圓,如圖11所示,要使α越大,則θ應該越大(由幾何關系可知α=2θ).所以當過c點位移與磁場邊界圓周相切時,θ最大,α也最大,可得時間最長.

        圖11 位移矢量拓展題分析圖

        綜上所述,物理學科核心素養(yǎng)的考查依托情境為載體,物理試題的情境創(chuàng)設則是依據(jù)物理規(guī)律、物理模型的本質特征不斷變化.我們要能夠將固定的內容靈活地轉化為不同情境,也能夠將不同的情境融入到熟悉的模型中.

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