初中科学竞赛中的物理问题.ppt
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1、初中科学竞赛中的物理问题初中科学竞赛中的物理问题 蔡铁权蔡铁权浙江师范大学课程与教学研究所浙江师范大学课程与教学研究所一、估测题一、估测题 物理学和物理教学中,一个很基本也是很重要的问题是模型。理论物理学家在进行详细计算前,为了选择和建立恰当的物理和数学模型,需要先粗略地估计各个物理量的大小和各种可能效应的相对重要性,以判断什么是决定现象的主要机制。实验物理学家在着手准备精密测量以前,为了选择合适的仪器和测量方法,也需要对各相关物理量先做出估计。因此,物理学习应学会对各种事物作粗略的数量级估计,知道尺度改变时对物理现象所产生的影响。也可判断结果或结论的正确与否。l直接记住一些基本常量,重要单位
2、的换算率,日常生活中常见事物的数量级。这是进一步对其他量做出估计的出发点。l借助于经验规律、量纲分析或现象类比等,广泛寻求量与量之间的关联。l从基本原理来估计物理量的数量级,建立适当的物理模型,采取一定的近似方法。l例1:利用小孔成像估测太阳直径 l例2:估算新安江水电站的年发电量。l例3:计算并测定烧一壶水的时间和所用电能l例4:估算排量为1.6L轿车以60km/h速度行驶,100公里耗油量二、模型题二、模型题 对复杂事物加以抽象、简化,突出研究对象的主要特征,构成一个概念或实物体系,就形成了“模型”。从原型形成的首先是“物理模型”。为了对模型进行研究,进一步地运用数学语言,对这一模型进行描
3、述、计算,找出其“量”的关系和规律,即上升到“数学模型”。如哥白尼的日心说,克劳修斯的理想气体、单摆、卡诺循环、原子核模型等等。模型的作用模型的作用:l模型是一种理想化的形态,是对事物原型加以简化和纯化,摒弃其中次要的、非本质的因素,突出其主要的、本质的起决定影响的因素,并寻求与现象之间的对应的“量”的关系。这种过程,有时是逻辑推理的过程,有时是理想化的过程等等。l模型研究所得到的结果,为解释原型提供演绎的系统。而解释事物现象原因的最终结果,往往导致假说、理论的出现,这是一种思维的升华,而它的基础就是从原型到模型的上升和展开。l在原型到模型的过程中,对现象的讨论和描述是透过现象抓住本质的,排除
4、了次要的、非本质的、非决定性因素的干扰和影响,而突出了主要的、本质的、决定性的因素,因此,可以发挥逻辑的力量,超越现实条件而得出重要的结论。这当中也包括“佯谬”、“悖论”等等。模型构建的方法:模型构建的方法:l(1)假说 这是由对某种现象的试探性的解释所构成的,它们的作者相信它们很可能或者肯定是真的。Ptolemy的宇宙模型,后来被放弃了。Copernicus的宇宙模型,现在还认为基本上是正确的。广义相对论的宇宙模型,现在下结论还为时尚早。原子的模型,从J.J.Thomson到Rutherford到Bohr模型,以及量子力学对它的改进。宇宙演化的大爆炸的假说,都可以归入这一类。(2)唯象模型(
5、)唯象模型(“表现得像是表现得像是”)在科学发展过程中,会看到一些物理现象可以用某种机制来解释,但是没有足够的证据使我们确信那就是正确的解释。尽管一时还无法做出抉择,但用模型来描述可能是很有用的,这可以理清一些关系,并揭示一些进一步的应用或实验。如热学中的燃素、Maxwell表述电磁场方程时提出的以太等。(3)近似(某些东西很小或很大)近似(某些东西很小或很大)科学中很多方程很少具有容易处理的精确解,所以只好求助于近似方法或数值解。如果问题中含有多个变量,或是我们对可能解的全貌感兴趣,数值计算就会变得非常繁复。在这些情况下一个有效的办法就是利用近似。如线性响应、理想气体、原子的壳层模型、Wig
6、ner点阵等。在取近似的过程中,通常并不能对所取近似的适当性作出严格的证明,即不能对由于忽略高次项而引起的误差给出确定的界限。而有经验的物理学家通常能够估计主要误差的所在并能够检验它们的可能效应(4)简化(为了明晰而略去某些特点)简化(为了明晰而略去某些特点)人们在科学中遇到的许多情况,初看起来显得十分复杂,而随后通过考察略去某些复杂性质的一种简化模型,将会大大有助于人们对情况的了解。如van der Waals气体、Debye比热模型(把晶体点阵振动看成谐振动)、原子核壳层模型、光学模型等。(5)示教性模型(非定量证明但却提供解释)示教性模型(非定量证明但却提供解释)有时,比真实描述走得更远
7、,并且达到更大简化的做法是必要的或是有益的,与此同时却仍然保留着与真实状况充分的相似性,足以有助于我们理解它的某些特质。如多电子原子的Bohr模型,平均自由程、理想Bose气体、液滴模型,强子的袋模型等。(6)类比(仅有某些共同点)类比(仅有某些共同点)有的时候,通过研究一个比较简单的体系来了解一个科学体系的某些情况是必要的或方便的;那个简单体系不一定在一切本质方面都和所研究的科学体系相似,但却具有它的典型特点。Rutherford研究原子的结构时就以太阳系作类比进行说明。又如点阵气体、核力的Heisenberg模型等。(7)理想实验(主要是要证伪一种可能性)理想实验(主要是要证伪一种可能性)
8、这是一种可能的实验尽管做起来可能不很方便或者不很现实,但是并不违反任何已知的物理定律。如Carnot循环、Maxwell妖等。这种模型的共同点是,通过创造更简单的、我们在直觉上更容易接受的事态,以此作为走向对实际事态合理理解的中间步骤,从而起到帮助我们更清楚地思考物理问题的作用。当前由于计算机强大的数值计算和模拟功能,可以利用计算机设计构建模型。如混沌同步控制、弹簧摆,布鲁塞尔振子模型等,大大地扩展了模型的概念和为模型的构建提供了强大的手段。l例1:物理学常常把实际的研究对象或实际的过程抽象成“物理模型”。如用铡刀铡草时,可以把铡刀看作是一个能够绕轴转动的硬杆,而不必考虑刀的形状、刀的材质,在
9、物理学中把它称为“杠杆”,这时“杠杆”就是铡刀的“物理模型”。l例2:用一个砝码,一块秒表,一根细线,测出桌面的长度。l例3:人的心脏每跳一次大约输送810-5m3的血液,正常人血压的平均值为1.5104Pa,心脏每分钟约跳70次,心脏平均功率约为多少?l例4:中国古代有一种用玉雕成的“蝴蝶杯”,当斟酒入杯时,就有蝴蝶在杯中翩翩起舞,杯中酒干,蝴蝶随之隐去,请作解释。l例5:2007年2月28日,从乌鲁木齐驶往阿克苏的5806次列车遭遇特大沙尘暴,列车从第1节车厢到第11节车厢相继被吹翻。图5所示为测定沙尘暴风力的实验装置图,其中AB是一段水平放置的长为L的光滑均匀电阻丝,电阻丝阻值较大,一质
10、量和电阻都不计的细长金属丝一端固定于O点,另一端悬挂球P,无风时细金属丝竖直,恰与金属丝在B点接触,有风时细金属丝将偏离竖直方向,细金属丝将偏离竖直方向,细金属丝与电阻丝始终保持良好的导电接触。金属球单位面积上所受的水平风力大小与电压表的读数成正比,空气密度为 ,沙的密度为 (1)在含沙量相同条件下,改变风速,记录不同风速下电压表的示数如表所示:(2)在风速大小相同条件下,改变风中空气的含沙量,记录不同含沙量下电压表的示数如表所示:a.根据上述实验结果,单位面积上所受到的风力大小 为()比例系数为K:b.若a.中的比例系数k的大小为0.5,车厢高度3m,长度 25m,质量50t,轶轨间距1.5
11、m,1m3沙尘暴中含沙尘 2.7kg,计算当时的风速为多少。332.5 10/kg m31.3/kg m三、等效法题三、等效法题 等效法是指将比较复杂的或无法用已有的工具求解的物理问题,通过一定的变换,转化为比较简单的或可以用已有的工具求解的物理问题的方法,在这种转化中,保持物理过程所产生的结果或效果是不变的。l例1:电路电源电压为6v,R1=125,R2=13,R3=R4=12,电流表示数为多少A?l例2:用均匀导线制成直径为D的半圆形线框,已知OC两点之间的电阻为R,则ab两点间的电阻为多少?l例3:要从2m深的水池底打捞一块实心的正方体大理石,要把大理石从水中提起,至少需544N的竖直向
12、上的拉力F,要把大理石提离水面,至少要做多少功?(大理石密 度27103kg/m3,不计滑轮重量和 摩擦)l例4:有一人通过定滑轮拉一重物,在B点时刚好绳子与地面垂直,拉力为500N,然后水平走到C点,已知AB=4m,BC=3m,求人行走到C点的过程中所做的功。四、物理学与世界四、物理学与世界l麦克斯韦说过:“非常有必要,借助一些表演实验,使那些企图从书本中学习物理科学知识的人,能在户外遇到这些现象时认出它们。”在我们周围的万千世界中,在激动人心的体育比赛中,在心旷神怡的旅行中,在惊心动魄的自然灾难中,无处不存在物理学,而且,以完全不同的面貌呈现在我们眼前。l物理竞赛培训的有效方法之一,是提供
13、要求、情境或内容,让学生自己去命题、讨论、修改、提高,然后大家来解答。下面就是这方面的例子,目的是让我们体会到命题的过程、思路和方法,并且关心周围世界中存在的各种形态的物理学。l例1:新买的电热毯,使用中感到温度太高,要用一个开关和一个电阻改装成两档,使电热毯在单位时间内的发热量与原来一样或为原来的一半,额定电压为220V,设计要求:(1)画出电路图;(2)推导出所用电阻大小的计算公式;(3)指明安装时必须注意的问题。l例2:为了探究串、并联电路中的电流关系,有干电池两节,“25V,03A”的小灯泡两只,开关1个,导线若干。当将两只灯泡串联在电源两端时,Ia=Ib=Ic=02A。当两只灯泡并联
14、时,IA=044A,IB=022A,IC=022A。而根据欧姆定律,当串联时如果电路中的电流强度为02A,则并联时,干路中的电流强度应为08A。计算值与实测值为什么相差这么大?五、类比题五、类比题 l类比法是一种从个别到个别,从一般到一般的类比推理。当人们发现某一不熟悉的事物和另一熟悉的事物之间具有某些类似之处时,借助于类似的方法,从熟悉事物的属性中推论出不熟悉事物具有相同属性的方法,称为类比法。类比法的客观基础,一是不同自然事物之间的相似性。不同事物在属性、数学形式定量描述上,有相同或相似的地方,因而可以进行比较。根据其相同或相似的已知部分,推知其未知的部分也可能相同或相似。l例1:类比水压
15、是形成水流的原因,李楠同学猜想,血液在血管内流动时也需要一定的压力差来维持。假设血液匀速通过长度一定的血管时,受到的阻力f与血液的流速V成正比,即f=kv。那么,要想让血液匀速流过,血管两端就需要一定的压力差。设血管截面积为S1时,两端所需的压强差为 ;若血管截面积减少10%时,为了维持在相同的时间内流动同样体积的血液,压强差必须变为 。请你通过计算比较 、的大小,说明血管变细可能是诱发高血压的重要因素之一。1P2P1P2Pl例2:下图是一台常见的台秤:参照天平的使用方法,从放置台秤开始,到称出物品的质量为止,说出它的使用步骤。各步骤用序号(1)、(2)、(3)标出。六、控制变量题六、控制变量
16、题 控制变量法是指:若研究的物理量与多个物理量有联系时,先把一个或几个物理量控制起来,使它们保持不变,只让一个量变(一个自变量),把所研究的问题先转化为一个物理量与单个物理量之间的关系问题,使被研究的问题由复杂变简单,容易发现物理量间的关系,最后将各种联系综合起来得到正确结论。其特点是:应用此方法的每一步只是定性或定量研究其中两个变量之间的关系,而其余变量必须控制不变。因此,控制变量法也叫单因素分析法,其本质是每次只有一个自变量。l例1:如何将铅球掷得更远?猜想1:铅球掷得远近,可能与掷出铅球点的高度有关。猜想2:铅球掷得远近,可能与掷出铅球的速度有关。猜想3:铅球掷得远近,可能与掷出铅球的角
17、度(投掷方向与水平方向的夹角)有关。表中是试验得到的数据。请根据有关信息回答:(1)为验证猜想1,应选出序号为 、的实验数据,因为 。(2)为验证猜想2,应选用序号为 、的实验数据,因为 。(3)为验证猜想3,应选用序号为 、的实验数据,因为 。(4)通过上述实验,你认为怎样才能将铅球掷得更远?l例2:甲同学在用电炉烧水时发现电炉丝热得发红,而与它的相连的导线却几乎不发热。甲同学猜想“电阻越大,发热功率越大”。而乙同学在用电炉烧水时发现,将两个电阻不同的电炉分别接到家庭电路中时,电阻小的电炉烧水快些,相同时间内产生的热量多些。乙同学猜想“电阻越小,发热功率越大”。现有镍铬合金丝做的电阻R1和R
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