在習(xí)題研究中培養(yǎng)高中物理教師的創(chuàng)新能力

1、在習(xí)題研究中培養(yǎng)高中物理教師的創(chuàng)新能力 江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué) 吳好 對(duì)于怎樣培養(yǎng)中學(xué)生的創(chuàng)新能力的問(wèn)題，很多物理教師都在不斷的實(shí)踐中進(jìn)行思考，這方面的學(xué)說(shuō)論文有很多要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，教師自己就必須具有創(chuàng)新意識(shí)，教師自己如何成為創(chuàng)新型教師對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力至關(guān)重要無(wú)論是對(duì)學(xué)生還是對(duì)教師，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可以從許多方面進(jìn)行，習(xí)題研究能力是高中物理教師教學(xué)能力的重要組成部分，本文就“在習(xí)題研究中培養(yǎng)高中物理教師的創(chuàng)新能力”談?wù)勛约旱挠^點(diǎn)1從不同角度對(duì)習(xí)題進(jìn)行研究1 1 習(xí)題解答的不完備帶來(lái)的思考由于種種原因，給出的習(xí)題解答并不完備，這會(huì)引發(fā)對(duì)習(xí)題的進(jìn)一步思考，從而產(chǎn)生新的思想，新的方法，這本身就是一種

2、創(chuàng)新，下面列舉一例說(shuō)明圖1-1例1在科技館中?？吹竭@樣的表演：一根長(zhǎng)1m左右的空心鋁管豎直放置（見(jiàn)圖1-1甲），把一枚磁性很強(qiáng)的小圓柱型永磁體從鋁管上端放入管口，圓柱直徑略小于鋁管的內(nèi)徑根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，小圓柱自由落下1m左右的時(shí)間不會(huì)超過(guò)0.5s，但把小圓柱從上端管口放入管中后，過(guò)了許久它才從鋁管下端落出小圓柱在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒(méi)有感覺(jué)到它跟鋁管內(nèi)壁發(fā)生摩擦，把小圓柱靠著鋁管，也不見(jiàn)它們相互吸引是什么原因使小圓柱在鋁管中緩慢下落呢？如果換用一條有裂縫的鋁管（見(jiàn)圖1-1乙），圓柱在鋁管中的下落就變快了，這又是為什么？這是人教版高中物理選修3-2課本“第四章 電磁感應(yīng)”“第7節(jié)渦流 電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)”

3、“問(wèn)題與練習(xí)”第3題通常的參考資料提供的答案是：“在磁性很強(qiáng)的小圓片下落的過(guò)程中，沒(méi)有缺口的鋁管中的磁通量發(fā)生變化（小圓片上方鋁管的磁通量減小，下方鋁管的磁通量增大），所以鋁管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)將對(duì)下落的小圓片產(chǎn)生阻力作用，小圓片在鋁管中緩慢下落；如果小圓片在有缺口的鋁管中下落，盡管鋁管中也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)將對(duì)下落的小圓片也產(chǎn)生阻力，但這時(shí)的阻力非常小，所以小圓片在鋁管中下落得比較快”（1）對(duì)參考答案的思考磁鐵運(yùn)動(dòng)方向磁極軸向分布的強(qiáng)磁體下落圖1-2怎樣理解“小圓片上方鋁管的磁通量減小，下方鋁管的磁通量增大”管子相對(duì)于磁體足夠長(zhǎng)時(shí)，磁體下落到管子一定深度后，小圓片上

4、、下方鋁管的磁通量都可以視為不變，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以證實(shí)磁體先作加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到一定值后，一直作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)此外，在沒(méi)有缺口的鋁管和有缺口的鋁管中，磁體下落過(guò)程管內(nèi)的感應(yīng)電流是如何分布的還不清楚，由此可見(jiàn)對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋還要作進(jìn)一步的研究，以下介紹本人對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)的研究如圖1-2所示，將長(zhǎng)度，內(nèi)徑12mm，外徑15mm的紫銅管豎直放置，用釹鐵硼材料制成的圓柱形磁極在軸向分布的磁體（直徑10mm，高度60mm）從管內(nèi)無(wú)初速釋放，大約經(jīng)過(guò)8s磁體才從管的下端落出管子較長(zhǎng)時(shí)，磁鐵在管中下落一定距離后，磁鐵上、下方的磁通量均可以視為不變，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，管內(nèi)的總電動(dòng)

5、勢(shì)為零，管內(nèi)的渦流是怎樣形成的呢？磁鐵運(yùn)動(dòng)方向磁鐵運(yùn)動(dòng)方向磁鐵中部以上銅管渦流方向磁鐵中部以下銅管渦流方向NS磁鐵中部以上部分（從上往下看）磁鐵中部以下部分（從下往上看）磁感應(yīng)強(qiáng)度徑向分量感應(yīng)電流方向感應(yīng)電流方向圖1-3將管子自上而下看成許多個(gè)線(xiàn)圈，若將磁體看成不動(dòng)，線(xiàn)圈相對(duì)于磁體向上運(yùn)動(dòng)，由于存在磁感應(yīng)強(qiáng)度沿半徑方向的分量，線(xiàn)圈在做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由右手定則可以得出，磁鐵上下管子中的渦流方向相反磁鐵上面部分管中的渦流相當(dāng)于上面是N級(jí)，下面是S級(jí)的磁體；磁鐵下面部分管中的渦流相當(dāng)于上面是S級(jí)，下面是N級(jí)的磁體，具體解釋見(jiàn)圖1-3上述分析告訴我們，由于管子的渦流對(duì)圓柱形磁體的作用是“上拉下頂”，

6、所以形成對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程的阻力 由于管子的所有部分以相同的速度做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，所以管子的任一部分都是電源管子中長(zhǎng)度為（見(jiàn)圖1-4）的任一小段沿圓周繞行一周的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，等于沿圓周繞行一周的電壓降之和，管中任意兩點(diǎn)間的電壓為零先計(jì)算長(zhǎng)為，內(nèi)半徑為，外半徑為的一段直管沿圓周繞行一周的電阻離軸心r處，截面為沿圓周繞行一周的電阻的倒數(shù)為： 所以： 由于略大于，可以認(rèn)為在管壁內(nèi)相對(duì)于磁體的某處磁感應(yīng)強(qiáng)度沿徑向的不同位置，大小相同當(dāng)管子與磁鐵的相對(duì)速度大小為v時(shí)，忽略和的差別圖1-4段的電動(dòng)勢(shì)： 段的電流 段電流受到的磁極的作用力 解得： 取如圖1-4所示坐標(biāo)系得： 磁鐵運(yùn)動(dòng)方向?qū)ρ貁軸積分可以求出磁極對(duì)渦

7、流的作用力設(shè)（），所以當(dāng)管子長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，趨于某一個(gè)常量，讀者可設(shè)定數(shù)據(jù)自己運(yùn)算其物理含義是管子靠近磁極附近的渦流較強(qiáng)，離磁極較遠(yuǎn)的部分渦流很弱，管子靠近磁極附近的渦流對(duì)磁體的電磁力起主要作用上下渦流反作用于磁極形成對(duì)運(yùn)動(dòng)磁體的阻力 作為估算上述方法得出收尾速度和實(shí)驗(yàn)情形是吻合的，筆者和學(xué)生分別用長(zhǎng)度分別是1m、2m、6m（在戶(hù)外）的鋁管做實(shí)驗(yàn)，磁鐵在管中下落不到20cm，手握直管的力就不再變化，說(shuō)明此后磁鐵做勻速運(yùn)動(dòng)測(cè)量磁鐵在管中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，得出磁鐵勻速下落的速度都在20cm/s左右（3）磁鐵在有裂縫的鋁管中下落較快的原因分析由于管子整體相對(duì)于磁體做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，關(guān)于磁體上下對(duì)稱(chēng)處的管

8、子中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小相同、方向相反，通過(guò)裂口處形成閉合回路（如圖1-5所示）由于裂口表面薄層的電阻較大，磁鐵與管子的相對(duì)速度較小時(shí)，感應(yīng)電流較弱，所以渦流反作用于磁極的電磁力較弱要使渦流反作用于磁極的電磁力等于磁鐵的重力，磁體必須以較快的速度下落簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是回路的電阻變大，要達(dá)到和無(wú)裂口的管子相同的渦流，必需要增大電動(dòng)勢(shì)，即增大管子與磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（4）建議對(duì)于磁極軸向分布的強(qiáng)磁體下落的現(xiàn)象解釋用管子切割磁感線(xiàn)為宜，用右手定則判定感應(yīng)電流方向進(jìn)一步給出圖1-3的渦流分布，現(xiàn)象一目了然自上而下，將沒(méi)有缺口的鋁管看成許多個(gè)閉合的線(xiàn)圈，在磁性很強(qiáng)的小圓片下落的過(guò)程中，小圓片上方每個(gè)線(xiàn)圈的磁通量

9、減小，下方每個(gè)線(xiàn)圈的磁通量增大，所以鋁管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)將對(duì)下落的小圓片產(chǎn)生阻力作用，小圓片在鋁管中緩慢下落；管子有裂口時(shí)，關(guān)于磁體上下對(duì)稱(chēng)選擇回路（這樣分析比較簡(jiǎn)單）由于電流要經(jīng)過(guò)缺口處，相對(duì)于無(wú)裂口的管子的電阻變大，相同電動(dòng)勢(shì)的情況下電流變小要達(dá)到和無(wú)裂口的管子相同的渦流，必需要增大電動(dòng)勢(shì)，即增大管子與磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（5）說(shuō)明在探究“強(qiáng)磁體在銅管（或鋁管）中下落現(xiàn)象”時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象用普通條形磁鐵在空氣中豎直下落，下落高度在2m左右，磁體始終處于豎直狀態(tài)但用“直徑10mm，高度60mm”的磁極軸向分布的圓柱形釹鐵硼磁鐵，在豎直狀態(tài)無(wú)初速下落，發(fā)現(xiàn)下落30cm左

10、右磁鐵就轉(zhuǎn)了90°若干次實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，每次旋轉(zhuǎn)都是沿南北方向偏轉(zhuǎn)將磁體反復(fù)調(diào)整角度，在角度適當(dāng)時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)磁體在下落過(guò)程中，一直處于平動(dòng)狀態(tài)這說(shuō)明地磁場(chǎng)對(duì)強(qiáng)磁體的磁力作用是比較明顯的這同時(shí)也提供了一種測(cè)定地磁場(chǎng)方向的簡(jiǎn)單方法這種現(xiàn)象可以作為學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)，它的名字可以叫“用落體法測(cè)定地磁場(chǎng)的方向”12 習(xí)題中的情景設(shè)置可能存在的科學(xué)性問(wèn)題而引發(fā)的思考這里的“可能存在”是依據(jù)教師對(duì)問(wèn)題的直覺(jué)判斷而言的，這個(gè)判斷存在著個(gè)體差異，這與教師在平時(shí)對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的認(rèn)知程度和研究水平有關(guān)系教師通過(guò)研究對(duì)情景設(shè)置中的科學(xué)性做出科學(xué)評(píng)判，而此類(lèi)問(wèn)題通常是沒(méi)有現(xiàn)成答案的，這就需要教師付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)，這顯然使得

11、教師的創(chuàng)新能力得到提升以下列舉兩例分別說(shuō)明，一個(gè)例子用來(lái)說(shuō)明通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)習(xí)題存在科學(xué)性問(wèn)題，另一個(gè)例子是說(shuō)明通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)習(xí)題雖然不存在科學(xué)性問(wèn)題，但通過(guò)研究對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)更進(jìn)了一步例2滑板運(yùn)動(dòng)是一種陸地上的“沖浪運(yùn)動(dòng)”，滑板運(yùn)動(dòng)員可在不同的滑坡上滑行，做出各種動(dòng)作，給人以美的享受如圖2-1是模擬的滑板組合滑行軌道，該軌道由足夠長(zhǎng)的斜直軌道、半徑R1=1m的凹形圓弧軌道和半徑R2=m的凸形圓弧軌道組成，這三部分軌道處于同一豎直平面內(nèi)且依次平滑連接，其中M點(diǎn)為凹形圓弧軌道的最低點(diǎn)，N點(diǎn)為凸形圓弧軌道的最高點(diǎn)，凸形圓弧軌道的圓心O點(diǎn)與M點(diǎn)處在同一水平面上，一質(zhì)量為m=1kg可看作質(zhì)點(diǎn)的滑板，從斜直軌道

12、上的P點(diǎn)無(wú)初速滑下，經(jīng)過(guò)M點(diǎn)滑向N點(diǎn)，P點(diǎn)距M點(diǎn)所在水平面的高度h=m，不計(jì)一切阻力，g取10m/s2.（1）滑板滑到M點(diǎn)時(shí)的速度多大？（2）滑板滑到M點(diǎn)時(shí)，軌道對(duì)滑板的支持力多大？（3）改變滑板無(wú)初速下滑時(shí)距M點(diǎn)所在水平面的高度h，用壓力傳感器測(cè)出滑板滑至N點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力大小FN，試通過(guò)計(jì)算在方格紙上作出FN-h圖象這道試題的疑問(wèn)在第3個(gè)小問(wèn)，質(zhì)點(diǎn)有沒(méi)有可能以不同的速度滑到N點(diǎn)通過(guò)分析得出，質(zhì)點(diǎn)在凹形圓弧軌道與凸形圓弧軌道相切處以恰好不脫離圓軌道的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)根本不能到達(dá)N點(diǎn)，若在相切點(diǎn)的速度增大時(shí)，它將脫離凸形圓弧軌道做拋體運(yùn)動(dòng)，這道試題的第3問(wèn)在情景設(shè)置上是有問(wèn)題的，本人通過(guò)分析得出了物

13、體能夠在半球面滑動(dòng)的一般條件設(shè)球半徑為R，物體與圓心的連線(xiàn)相對(duì)與豎直線(xiàn)的角度為根據(jù)重力的徑向分力提供向心力，求出物體剛好脫離球面的“臨界速度”； 給出物體在半圓柱上對(duì)應(yīng)位置的滑動(dòng)速度v與的關(guān)系式；在上述研究的基礎(chǔ)上得出以下結(jié)論：圖2-2圖2-3（1）如圖2-2所示，質(zhì)點(diǎn)在半球面上與對(duì)應(yīng)處的速度大小若落在圖2-3的曲線(xiàn)與坐標(biāo)軸所包圍的區(qū)域內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)將在半球面上運(yùn)動(dòng)，若在區(qū)域外將做拋體運(yùn)動(dòng)（2）質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始在球面上的位置在>0處，質(zhì)點(diǎn)不可能滑倒最高點(diǎn)（3）質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始在球面上的位置在<0處，質(zhì)點(diǎn)滑倒最高點(diǎn)的速度可以大于零（）例3如“圖3”所示，質(zhì)量均為m的A、B兩球由長(zhǎng)為L(zhǎng)的輕桿相連，豎直置于光

14、滑水平面上由于擾動(dòng)，輕桿與小球組成的系統(tǒng)在豎直平面內(nèi)沿圖示的方向自由滑動(dòng)，不計(jì)一切阻力試討論下列問(wèn)題（可以證明當(dāng)逐漸增大，A球未碰到地面時(shí)，B球一直沿地面運(yùn)動(dòng)）：圖31、趨于時(shí)：（1）A球的速率 （2）地面對(duì)B球的彈力（3）桿對(duì)A球的彈力2、A球運(yùn)動(dòng)的軌跡方程3、輕桿的作用力為零時(shí)輕桿轉(zhuǎn)過(guò)的角度4、證明：當(dāng)逐漸增大，A球未碰到地面時(shí)，B球一直沿地面運(yùn)動(dòng)這個(gè)問(wèn)題是我改編的，它的原形是A球剛要碰到地面時(shí)的速度是多大，但在解答完這個(gè)問(wèn)題后，我對(duì)B球能否一直沿地面滑動(dòng)產(chǎn)生疑問(wèn)通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)在A球未碰到地面時(shí)，B球一直沿地面運(yùn)動(dòng)這個(gè)問(wèn)題涉及到的物理內(nèi)容有動(dòng)量、機(jī)械能、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理、非慣性

15、系；涉及到的數(shù)學(xué)方法有三角變換、函數(shù)的極值、導(dǎo)數(shù)、曲率圓半徑、圖像等，數(shù)理內(nèi)容非常豐富 1 3 習(xí)題解題的方法不同引起的思考一道試題的解題方法可能是多種多樣的，通過(guò)對(duì)有些問(wèn)題的深入研究，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生耳目一新，非同尋常的解題方法，從而帶來(lái)認(rèn)識(shí)上的飛躍，使教師的創(chuàng)新能力得到增強(qiáng)例4如圖4-1所示，一質(zhì)量為、傾角為的光滑斜面，放置在光滑的水平面上，另一個(gè)質(zhì)量為的滑塊從斜面頂端釋放，試求：（1）斜面的加速度 （2）滑塊相對(duì)斜面的加速度 （3）滑塊的加速度 這是一道大學(xué)物理試題，但在中學(xué)也是可以解決的我們可以通過(guò)滑塊受到的合力來(lái)分析滑塊的加速度，這是分析加速度的一種最為基本的方法滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到重力，

16、斜面對(duì)滑塊的支持力，它們的合力方向如圖4-2中AC1的方向若用圖4-2中AD、AB1的長(zhǎng)度表示滑塊的重力和斜面對(duì)滑塊的支持力的大小，則AC1的長(zhǎng)度就是它們的合力大?。ㄆ渲蠥C的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于斜面靜止時(shí)，滑塊的重力沿斜面方向的分力若能求出圖4-2中的角，滑塊的加速就可以用求出只要學(xué)生知道水平方向動(dòng)量守恒，能畫(huà)出物塊的受力分析圖，運(yùn)用高中的基本物理知識(shí)（它不需要用到慣性力的知識(shí)）就能正確的解答這道比較復(fù)雜的問(wèn)題這種解法對(duì)知識(shí)要求不高，但對(duì)學(xué)生的能力要求很高，將斜面固定與斜面滑動(dòng)兩種情況下，滑塊的受力分析圖在同一張圖上對(duì)比畫(huà)出，從而尋找解決問(wèn)題的辦法，這種解決問(wèn)題的方法值得大家參考掌握用圖4-2給出的力

17、的矢量分析圖，在求解一些問(wèn)題時(shí)會(huì)帶來(lái)很大的方便，以下列舉一例加以說(shuō)明如圖4-3所示，一質(zhì)量為、傾角為的光滑斜面，放置在光滑的水平面上，另一個(gè)質(zhì)量為的滑塊從斜面頂端釋放，設(shè)斜面固定時(shí)斜面對(duì)滑塊的作用力以及滑塊的加速度大小分別為N1和a1，斜面可以自由滑動(dòng)時(shí)斜面對(duì)滑塊的作用力以及滑塊的加速度大小分別為N2和a2，以下說(shuō)法正確的是：（A）N1 > N2，a1 > a2（B）N1 > N2，a1 < a2（C）N1 < N2，a1 > a2（D）N1 < N2，a1 < a2 答案B解答：利用圖4-2的矢量分析圖，N1和N2的大小分別對(duì)應(yīng)于AB的長(zhǎng)度和A

18、B1的長(zhǎng)度；a1和a2的大小分別對(duì)應(yīng)于AC和AC1的長(zhǎng)度關(guān)系很快能得到正確答案是（B）顯然對(duì)習(xí)題的研究角度很多，絕對(duì)不止以上三種，因而對(duì)教師的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也不是停留在上述的事例中，這里只是從我個(gè)人的角度得出的一些思考，供大家參考2 對(duì)習(xí)題的進(jìn)一步研究的作用“從不同角度對(duì)習(xí)題進(jìn)行研究”有時(shí)甚至能產(chǎn)生全新的理論，這方面的實(shí)例很多，如“最速降線(xiàn)”問(wèn)題伽利略在1630年提出一個(gè)分析力學(xué)的基本問(wèn)題“一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在重力作用下，從一個(gè)給定點(diǎn)A到不在它垂直下方的另一點(diǎn)B，如果不計(jì)摩擦力，問(wèn)沿著什么曲線(xiàn)滑下所需時(shí)間最短” 伽利略本人并沒(méi)有給出正確答案，瑞士數(shù)學(xué)家約翰、伯努利在1696年再次提出這個(gè)最速降線(xiàn)的問(wèn)題，向全歐洲數(shù)學(xué)家征求解答伯努利給出提示，大意是：“雖然AB間線(xiàn)段最短，但小球滾下來(lái)的時(shí)間不是最短如果在規(guī)定時(shí)間沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)這條曲線(xiàn)，我將公布這條曲線(xiàn)”截止期限，約翰、伯努利共收到了5份答案，他自己和其老師萊布尼茲，第三份是他的哥哥雅可布、伯努利，羅畢達(dá)是第四個(gè)，第五個(gè)是牛頓答案就是一段旋輪線(xiàn)（擺線(xiàn)），帕斯卡和惠更斯以前就研究過(guò)這一重要的曲線(xiàn)，可是他們誰(shuí)也沒(méi)有想到這還是