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笔者从事高中物理教学多年,根据自己在教学实践中的体会以及观摩其他老师的教学之后,深感高中物理教学存在一些误区,由于这些误区的存在,使学生建立的知识网络里存在诸多科学性的错误,不利于学生建立一个系统、科学的知识网络结构,这与新课标的理念格格不入,这就要求教师及时更新教学理念,使高中物理教学走出各种误区.为此,略举两例,与同行们做一些探讨.
误区一人造地球卫星的最大环绕速度是7.9 km/s
在讲解人造卫星的环绕速度时,许多教师曾作过如下推导:
根据地球给人造地球卫星的万有引力提供了它绕地球作匀速圆周运动所需的向心力:
G[SX(]Mmr2[SX)]=m[SX(]v2r[SX)],
由此可得卫星绕地球运行的速度v=[KF(][SX(]GMr[SX)][KF)].
卫星与地心的距离r越大,v越小;距离r越小,则v越大.r的最小值为地球的半径
R=6.37×106 m,
因此v的最大值为
v[WB]=[KF(][SX(]GMR[SX)][KF)]=[KF(][SX(]6.67×10-11×5.89×10246.37×106[SX)][KF)] m/s
[DW]=7.9 km/s,
v=7.9 km/s是人造地球卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度,叫第一宇宙速度,第一宇宙速度是最小发射速度,最大环绕速度.
学生质疑如图1所示,将人造卫星从A处发射,如果发射速度大于7.9 km/s而小于11.2 km/s,人造卫星将沿椭圆轨道绕地球运行,地心就成为椭圆轨道的一个焦点.在人造卫星绕地球运行的过程当中,由于只有地球的万有引力这样一个保守力做功,机械能是守恒的,[TP1GW139.TIF,Y#]当人造卫星又回到出发点A的时候,重力势能没有发生变化,动能也应该不变,即速度大小也不变,为发射时的速度,大于7.9 km/s而小于11.2 km/s,可以大于7.9 km/s.
剖析我们注意v=7.9 km/s的推导过程,是在人造地球卫星环绕地球做匀速圆周运动的情况下推导出来的,此时,万有引力恰好提供向心力.但是,当人造地球卫星绕地球沿椭圆轨道绕地球运行的时候,万有引力有时大于人造卫星所需要的向心力,有时小于人造卫星所需要的向心力.比如在近地点A,万有引力小于人造卫星所需要的向心力,这时,人造卫星做离心运动,离地心越来越远;在远地点B,万有引力大于人造卫星所需要的向心力,这时,人造卫星做近心运动,离地心越来越近.我们在近地点A对卫星研究,G[SX(]Mmr2[SX)][KF(][SX(]GMr[SX)][KF)],而此时的r为椭圆轨道在A点的曲率半径,小于地球半径R,因此v>[KF(][SX(]GMr[SX)][KF)]>[KF(][SX(]GMR[SX)][KF)]=7.9 km/s.
结论:我们在研究人造卫星绕地球运动的时候,将轨道简化为圆轨道,得到vmax=[KF(][SX(]GMR[SX)][KF)]=7.9 km/s.因此,“人造地球卫星的最大环绕速度是7.9 km/s”的前提是人造卫星绕地球作匀速圆周运动,如果是沿椭圆轨道运动的,环绕速度可以大于7.9 km/s.
误区二安培力是洛伦兹力的合力
在学习磁场对运动电荷的作用力时,很多教师都讲到,洛伦兹力是安培力的微观本质,安培力是洛伦兹力的宏[TP1GW140.TIF,Y#]观表现.于是不少学生便认为处于磁场中的通电金属导线,其内部所有定向移动自由电子所受洛伦兹力的合力,即为宏观的安培力(如图2).
学生质疑:洛伦兹力不对运动电荷做功,洛伦兹力的合力也不会做功,即安培力不会做功,但事实是安培力会对导线做功.
剖析处于磁场中的通电导线中的自由电子在电源产生的传导电场作用下以平均漂移速度v做定向移动,由于磁场的存在,自由电子受到洛伦兹力的作用,它以曲线运动的方式做侧向漂移,其结果是在导线的一侧堆积起来,形成一个横向电场,叫霍尔电场.霍尔电场对电子的堆积起阻碍作用,所以,这时的自由电子就受到霍尔电场力和洛伦兹力的共同作用,当偏转的电子达到一定数量时,霍尔电场对定向移动电子所产生的电场力和定向漂移的自由电子所受到的洛伦兹力相平衡,此时定向移动的自由电子无法侧向漂移,定向移动的自由电子,[TP1GW141.TIF,Y#]在受到霍尔电场的作用力的同时要给霍尔电场一反作用力F′ (如图3所示).虽然金属导线内部不但有大量的自由电子,还存在等量的正电荷,但是通电导线内部的正电荷是金属原子核,无定向移动,因此其不受洛伦兹力作用.虽然通电导线内的金属正电荷要受到霍尔电场的作用,金属正电荷与霍尔电场之间相互作用的电场力是金属导体内部的一对内力,合力为零.
另一方面,由霍尔电场在导体内建立的平衡条件是一种动态平衡,漂移到一侧的那些电子因其速度在变为零后就不再受到洛伦兹力作用,于是它们在霍尔电场和传导电场的共同作用下又会离开堆积的一侧,平衡遭到破坏,这时做水平运动的自由电子所受霍尔电场力就小于洛伦兹力,于是电子又将继续偏转,直到恢复平衡,这就出现了一种反复进行的动态平衡,所以导线所受的合力,为导线内部所有定向漂移的自由电子给霍尔电场的力F′的合力.
结论静止的通电金属导线在磁场中受到的安培力,只是在数值上等于大量定向漂移自由电子受到的洛伦兹力的总和,实际上是定向漂移自由电子给霍尔电场的作用力之和,此力才是宏观的安培力,这就是为什么洛伦兹力不对运动电荷做功,而安培力却会对导线做功的原因.
高中物理教学的过程还有其他的误区,我们要走出各种误区,在备课的时候就要谨慎,努力做到科学、严谨,辨别好似是而非的情况.
误区一人造地球卫星的最大环绕速度是7.9 km/s
在讲解人造卫星的环绕速度时,许多教师曾作过如下推导:
根据地球给人造地球卫星的万有引力提供了它绕地球作匀速圆周运动所需的向心力:
G[SX(]Mmr2[SX)]=m[SX(]v2r[SX)],
由此可得卫星绕地球运行的速度v=[KF(][SX(]GMr[SX)][KF)].
卫星与地心的距离r越大,v越小;距离r越小,则v越大.r的最小值为地球的半径
R=6.37×106 m,
因此v的最大值为
v[WB]=[KF(][SX(]GMR[SX)][KF)]=[KF(][SX(]6.67×10-11×5.89×10246.37×106[SX)][KF)] m/s
[DW]=7.9 km/s,
v=7.9 km/s是人造地球卫星在地面附近环绕地球做匀速圆周运动必须具有的速度,叫第一宇宙速度,第一宇宙速度是最小发射速度,最大环绕速度.
学生质疑如图1所示,将人造卫星从A处发射,如果发射速度大于7.9 km/s而小于11.2 km/s,人造卫星将沿椭圆轨道绕地球运行,地心就成为椭圆轨道的一个焦点.在人造卫星绕地球运行的过程当中,由于只有地球的万有引力这样一个保守力做功,机械能是守恒的,[TP1GW139.TIF,Y#]当人造卫星又回到出发点A的时候,重力势能没有发生变化,动能也应该不变,即速度大小也不变,为发射时的速度,大于7.9 km/s而小于11.2 km/s,可以大于7.9 km/s.
剖析我们注意v=7.9 km/s的推导过程,是在人造地球卫星环绕地球做匀速圆周运动的情况下推导出来的,此时,万有引力恰好提供向心力.但是,当人造地球卫星绕地球沿椭圆轨道绕地球运行的时候,万有引力有时大于人造卫星所需要的向心力,有时小于人造卫星所需要的向心力.比如在近地点A,万有引力小于人造卫星所需要的向心力,这时,人造卫星做离心运动,离地心越来越远;在远地点B,万有引力大于人造卫星所需要的向心力,这时,人造卫星做近心运动,离地心越来越近.我们在近地点A对卫星研究,G[SX(]Mmr2[SX)]
结论:我们在研究人造卫星绕地球运动的时候,将轨道简化为圆轨道,得到vmax=[KF(][SX(]GMR[SX)][KF)]=7.9 km/s.因此,“人造地球卫星的最大环绕速度是7.9 km/s”的前提是人造卫星绕地球作匀速圆周运动,如果是沿椭圆轨道运动的,环绕速度可以大于7.9 km/s.
误区二安培力是洛伦兹力的合力
在学习磁场对运动电荷的作用力时,很多教师都讲到,洛伦兹力是安培力的微观本质,安培力是洛伦兹力的宏[TP1GW140.TIF,Y#]观表现.于是不少学生便认为处于磁场中的通电金属导线,其内部所有定向移动自由电子所受洛伦兹力的合力,即为宏观的安培力(如图2).
学生质疑:洛伦兹力不对运动电荷做功,洛伦兹力的合力也不会做功,即安培力不会做功,但事实是安培力会对导线做功.
剖析处于磁场中的通电导线中的自由电子在电源产生的传导电场作用下以平均漂移速度v做定向移动,由于磁场的存在,自由电子受到洛伦兹力的作用,它以曲线运动的方式做侧向漂移,其结果是在导线的一侧堆积起来,形成一个横向电场,叫霍尔电场.霍尔电场对电子的堆积起阻碍作用,所以,这时的自由电子就受到霍尔电场力和洛伦兹力的共同作用,当偏转的电子达到一定数量时,霍尔电场对定向移动电子所产生的电场力和定向漂移的自由电子所受到的洛伦兹力相平衡,此时定向移动的自由电子无法侧向漂移,定向移动的自由电子,[TP1GW141.TIF,Y#]在受到霍尔电场的作用力的同时要给霍尔电场一反作用力F′ (如图3所示).虽然金属导线内部不但有大量的自由电子,还存在等量的正电荷,但是通电导线内部的正电荷是金属原子核,无定向移动,因此其不受洛伦兹力作用.虽然通电导线内的金属正电荷要受到霍尔电场的作用,金属正电荷与霍尔电场之间相互作用的电场力是金属导体内部的一对内力,合力为零.
另一方面,由霍尔电场在导体内建立的平衡条件是一种动态平衡,漂移到一侧的那些电子因其速度在变为零后就不再受到洛伦兹力作用,于是它们在霍尔电场和传导电场的共同作用下又会离开堆积的一侧,平衡遭到破坏,这时做水平运动的自由电子所受霍尔电场力就小于洛伦兹力,于是电子又将继续偏转,直到恢复平衡,这就出现了一种反复进行的动态平衡,所以导线所受的合力,为导线内部所有定向漂移的自由电子给霍尔电场的力F′的合力.
结论静止的通电金属导线在磁场中受到的安培力,只是在数值上等于大量定向漂移自由电子受到的洛伦兹力的总和,实际上是定向漂移自由电子给霍尔电场的作用力之和,此力才是宏观的安培力,这就是为什么洛伦兹力不对运动电荷做功,而安培力却会对导线做功的原因.
高中物理教学的过程还有其他的误区,我们要走出各种误区,在备课的时候就要谨慎,努力做到科学、严谨,辨别好似是而非的情况.