高中物理教學中的若干疑難問題(一)

1、高中物理教學中高中物理教學中的若干疑難問題的若干疑難問題沈啟正沈啟正浙江省教育廳教研室浙江省教育廳教研室提綱提綱力學力學n1、功的概念中的位移問題、功的概念中的位移問題n2、對摩擦力的若干認識、對摩擦力的若干認識n3、牛頓第一定律與第二定律的關系、牛頓第一定律與第二定律的關系n4、內力做功與質點組動能定理、內力做功與質點組動能定理n5、從非保守內力做功看牽引力的實質、從非保守內力做功看牽引力的實質n6、 帆板運動的力學原理帆板運動的力學原理n7、 潮汐的成因潮汐的成因n8、經典力學的局限性、經典力學的局限性光學光學n9、海市蜃樓的映像方向問題、海市蜃樓的映像方向問題n10、日常生活中的顏色之迷

2、、日常生活中的顏色之迷熱學熱學n11、功能原理與熱力學第一定律的一般形式、功能原理與熱力學第一定律的一般形式n12、是熱機還是永動機？、是熱機還是永動機？電學電學n13、驗電器、驗電器 靜電計靜電計 電壓表電壓表n14、對導體接地中幾個問題的理解、對導體接地中幾個問題的理解n15、電容器儲能變化和介質受力的問題、電容器儲能變化和介質受力的問題n16、電磁感應中的洛侖茲力做功問題、電磁感應中的洛侖茲力做功問題n17、模擬信號如何數字化、模擬信號如何數字化原子與原子核物理原子與原子核物理n18、光電效應與康普頓效應、光電效應與康普頓效應n19、關于質量虧損與質能方程的三個問題、關于質量虧損與質能方

3、程的三個問題1、功的概念中的位移問題、功的概念中的位移問題n功概念中的力與力方向上的位移的乘積中功概念中的力與力方向上的位移的乘積中到底是到底是 “質心的位移質心的位移”、“物體的位移物體的位移”還是還是 “力的作用點的位移力的作用點的位移”？n是質心的位移？是質心的位移？n是物體的位移？是物體的位移？n是力作用點的位移？是力作用點的位移？應是受力質點的位移！應是受力質點的位移！不要把更換受力質點與受力質點的位移混淆不要把更換受力質點與受力質點的位移混淆更換受力點不意味著受力質點產生了位移更換受力點不意味著受力質點產生了位移是受力質點的位移是受力質點的位移FcosFSFSW2、對摩擦力的若干認

4、識、對摩擦力的若干認識n摩擦力佯謬：摩擦力佯謬：n一滑塊在外力的作用下一滑塊在外力的作用下, 沿水平移動了沿水平移動了S 路程路程. 設設外力外力F 等于滑塊所受摩擦力等于滑塊所受摩擦力f , 則滑塊做勻速直線則滑塊做勻速直線運動運動, 根據功能原理根據功能原理FS - f S = 0 另一方面另一方面, 由于摩擦生熱由于摩擦生熱, 滑塊溫度升高滑塊溫度升高, 內能增加內能增加. 既然作用于滑塊的外力做功與摩擦力做功相互抵既然作用于滑塊的外力做功與摩擦力做功相互抵消消, 那么滑塊增加的內能從何而來那么滑塊增加的內能從何而來?幾點基本共識幾點基本共識n對功的定義的共識 n對動能定理的共識 n對靜

5、摩擦力做功的共識 n力與力所作用質點的位移的標積作為功的定義。力與力所作用質點的位移的標積作為功的定義。 n外力對質點的功等于質點動能的增量外力對質點的功等于質點動能的增量.質點組的動質點組的動能定理表明能定理表明,外力的功反映的是系統(tǒng)內部動能與系外力的功反映的是系統(tǒng)內部動能與系統(tǒng)外部能量間的轉移或轉化，內力的總功反映的統(tǒng)外部能量間的轉移或轉化，內力的總功反映的則是系統(tǒng)內部動能與系統(tǒng)內部其他形式能量間的則是系統(tǒng)內部動能與系統(tǒng)內部其他形式能量間的轉移或轉化。轉移或轉化。n靜摩擦力靜摩擦力無論是一個摩擦力還是一對靜摩擦無論是一個摩擦力還是一對靜摩擦力力無論做功或不做功時均不生熱。無論做功或不做功時

6、均不生熱。(1)例析例析“摩擦力做功生熱摩擦力做功生熱”的問題的問題n疊放的疊放的A、B兩物體，放在光滑水平面上，給兩物體，放在光滑水平面上，給A一水平初速，一水平初速，過一時間后，兩者達到不同速度。因摩擦生熱致使過一時間后，兩者達到不同速度。因摩擦生熱致使A 、B 兩物體內能均增加兩物體內能均增加. 但但A物體因摩擦增加的內能：物體因摩擦增加的內能：n 結論：n僅僅通過功能關系(動能定理) 是不能求得對象系統(tǒng)因摩擦生熱而增加的內能n將A 、B 兩物體視為一個質點組系統(tǒng), 由質點組的動能定理有L需要說明的是: （2）摩擦力做功等于摩擦力與路程的乘積）摩擦力做功等于摩擦力與路程的乘積?n書上有這

7、樣一段話：滑動摩擦力做功要看書上有這樣一段話：滑動摩擦力做功要看物體運動的路程而不是位移，這是摩擦力物體運動的路程而不是位移，這是摩擦力做功的特點，必須牢記。做功的特點，必須牢記。n對否？對否？結論n計算摩擦力做功時應該注意摩擦力方向是計算摩擦力做功時應該注意摩擦力方向是否改變。否改變。n用摩擦力乘以路程求功不是摩擦力的本質用摩擦力乘以路程求功不是摩擦力的本質特征，而是因為摩擦力方向往往改變，一特征，而是因為摩擦力方向往往改變，一直做負功所致。直做負功所致。3、牛頓第一定律與第二定律的關系、牛頓第一定律與第二定律的關系n觀點：觀點：n“ 牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例牛頓第一定律是牛頓第二定

8、律的特例” ， “ 牛頓第一定律沒有獨立存在的必要牛頓第一定律沒有獨立存在的必要” ，“有了牛頓第二定律有了牛頓第二定律, 牛頓第一定律就是可牛頓第一定律就是可有可無的了，它僅是一種有可無的了，它僅是一種“ 哲學討論哲學討論” 。n揭示了物體不受力時的運動規(guī)律。揭示了物體不受力時的運動規(guī)律。n發(fā)現了物體慣性的存在。發(fā)現了物體慣性的存在。n揭示了慣性系（不存在加速度的參考系）揭示了慣性系（不存在加速度的參考系）的存在。的存在。n在選定了慣性參照系后在選定了慣性參照系后, 才以這種慣性參照才以這種慣性參照系作為研究力學問題的出發(fā)點系作為研究力學問題的出發(fā)點, 總結出牛頓總結出牛頓第二定律。第二定律

9、。 4、內力做功與質點組動能定理、內力做功與質點組動能定理5、從非保守內力做功看牽引力的實質、從非保守內力做功看牽引力的實質6、 帆板運動的力學原理帆板運動的力學原理7、 潮汐的成因潮汐的成因8、經典力學的局限性、經典力學的局限性1、從低速到高速、從低速到高速n例如：在以例如：在以20ms的速度行駛的汽車上，有人以的速度行駛的汽車上，有人以25ms的速度將一物體拋出，在路邊的觀察者看的速度將一物體拋出，在路邊的觀察者看來，如果車上的人向前拋，那么被拋物體的速度應來，如果車上的人向前拋，那么被拋物體的速度應為兩速度之和即為兩速度之和即45ms；如果車上的人向后拋，；如果車上的人向后拋，就應是兩速

10、度之差即就應是兩速度之差即5ms。 vvv物對人物對車車對人n若把拋出物體改成用若把拋出物體改成用 手電筒發(fā)射一束光，由手電筒發(fā)射一束光，由 若車仍以一定的速度若車仍以一定的速度v運動，光速方向與車速同運動，光速方向與車速同向時，向時，c=c+v； 反向時，反向時，c=cv。n但邁克爾遜一莫雷等實驗不支持這結論，但邁克爾遜一莫雷等實驗不支持這結論，實驗結果都是實驗結果都是c=c。ccv光對人光對車車對人問題出在問題出在哪里？哪里？牛頓的時空觀牛頓的時空觀 時間象一條長河，均勻地自由流逝著，時間象一條長河，均勻地自由流逝著，它計量著運動物體的持續(xù)性，且任何物體它計量著運動物體的持續(xù)性，且任何物體

11、都影響不了它。即時間獨立于物體及其運都影響不了它。即時間獨立于物體及其運動而存在。動而存在。 空間象一個廣闊無邊的大廳，它給物體空間象一個廣闊無邊的大廳，它給物體提供一個提供一個“舞臺舞臺”，但并不干擾物體的，但并不干擾物體的“演出演出”。即空間是獨立于物體及其運動。即空間是獨立于物體及其運動而存在的。而存在的。 ccv甲對丙甲對乙乙對丙 速度與位移及時間有關。在牛頓時空速度與位移及時間有關。在牛頓時空觀下，位移與時間的測量與參考系無關，觀下，位移與時間的測量與參考系無關，故雖然有二個參考系，仍可寫成下式：故雖然有二個參考系，仍可寫成下式： 但相對論認為，同一件事的位移和時但相對論認為，同一件

12、事的位移和時間的測量值在不同參考系中是不同的，故間的測量值在不同參考系中是不同的，故上式不能成立！特別是物體運動速度接近上式不能成立！特別是物體運動速度接近光速時光速時, ,差異更明顯差異更明顯, ,經典力學也就失效了。經典力學也就失效了。 又例如，經典力學認為物體的質量又例如，經典力學認為物體的質量m m是不變是不變的，與物體運動狀態(tài)無關。的，與物體運動狀態(tài)無關。021mmvc 而愛因斯坦認為物體運動的速度不可以超而愛因斯坦認為物體運動的速度不可以超過真空中的光速。在接近光速的情況下，過真空中的光速。在接近光速的情況下，物體的質量要物體的質量要隨物體運動速度的增大而增隨物體運動速度的增大而增

13、大！大！例如，物體運動的速度例如，物體運動的速度v=0.8c時，物體的質量約時，物體的質量約增大到靜止質量的增大到靜止質量的1.7倍。倍。 一定的力產生一定的加速度一定的力產生一定的加速度, ,物體的速度可以物體的速度可以超過光速。超過光速。愛因斯坦狹義相對論觀點愛因斯坦狹義相對論觀點1、空間、時間與物體的運動狀態(tài)有、空間、時間與物體的運動狀態(tài)有關。運動時間和運動物體的長度都關。運動時間和運動物體的長度都會隨著運動速度的變化而變化。絕會隨著運動速度的變化而變化。絕對時間、絕對空間是不存在的。對時間、絕對空間是不存在的。2、對任何慣性系，在真空中沿任意、對任何慣性系，在真空中沿任意方向傳播的光速

14、都相同，且與光源方向傳播的光速都相同，且與光源的運動狀態(tài)無關。的運動狀態(tài)無關。結論一結論一n經典力學只適用于低速運動，經典力學只適用于低速運動，不適用于高速運動。不適用于高速運動。2、從宏觀到微觀、從宏觀到微觀n19世紀末到世紀末到20世紀初，是物理學家研究微觀粒子的鼎盛世紀初，是物理學家研究微觀粒子的鼎盛時期。時期。n但微觀粒子所表現出的特性使經典力學匪夷所思：但微觀粒子所表現出的特性使經典力學匪夷所思：n微觀粒子的表現有時象粒子，有時象波，根本不符合力學微觀粒子的表現有時象粒子，有時象波，根本不符合力學規(guī)律。無法準確測出電子在任何特定時刻的位置（測不準規(guī)律。無法準確測出電子在任何特定時刻的

15、位置（測不準原理）。原理）。n電子可以從一個軌道跳到另一個軌道，而又不經過中間的電子可以從一個軌道跳到另一個軌道，而又不經過中間的任何空間。任何空間。n物質突然從無到有，而又突然從有到無物質突然從無到有，而又突然從有到無n一個粒子可以立即影響相距幾萬億公里以外的另一個粒子。一個粒子可以立即影響相距幾萬億公里以外的另一個粒子。速度之快令光速汗顏！速度之快令光速汗顏！n愛因斯坦不太相信量子力學，他說過：愛因斯坦不太相信量子力學，他說過：“上帝不玩骰子上帝不玩骰子”。n玻爾說：要是誰第一次聽說量子力學玻爾說：要是誰第一次聽說量子力學時沒有發(fā)火，這說明他沒有理解。問時沒有發(fā)火，這說明他沒有理解。問題不

16、在于它是否荒唐，而是它是否足題不在于它是否荒唐，而是它是否足夠荒唐。夠荒唐。n當有人問海森伯由量子力學想像一下當有人問海森伯由量子力學想像一下原子的模樣，他回答說：原子的模樣，他回答說：“哦，請別哦，請別這樣干，做不到。這樣干，做不到?！绷孔恿W能解釋這些現象，你信嗎？量子力學能解釋這些現象，你信嗎？結論二結論二n經典力學只適用于宏觀世界，經典力學只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。不適用于微觀世界。3、從弱引力到強引力、從弱引力到強引力n引力的強弱：如果在引力的作用下，物體引力的強弱：如果在引力的作用下，物體的運動速度遠小于光速，引力就是弱的。的運動速度遠小于光速，引力就是弱的。反之，如果物

17、體在引力作用下運動速度接反之，如果物體在引力作用下運動速度接近光速，引力就是強的。近光速，引力就是強的。n牛頓的萬有引力定律是經典力學的登峰之牛頓的萬有引力定律是經典力學的登峰之作，但它無法解釋強引力作用下發(fā)現的現作，但它無法解釋強引力作用下發(fā)現的現象：水星的進動、光線彎曲、引力紅移、象：水星的進動、光線彎曲、引力紅移、雷達回波的延遲等等。雷達回波的延遲等等。43水星進動速度為每百年水星進動速度為每百年愛因斯坦愛因斯坦1915年創(chuàng)立廣義相對論引進了全新的年創(chuàng)立廣義相對論引進了全新的時空彎曲和引力理論，很好地解釋這些現象時空彎曲和引力理論，很好地解釋這些現象.預言強引力下光線會彎曲預言強引力下光

18、線會彎曲你能想象時空彎曲嗎你能想象時空彎曲嗎?n相對論的時空觀不是憑直覺所能完全搞懂相對論的時空觀不是憑直覺所能完全搞懂的。愛因斯坦認為，光線在引力場中的彎的。愛因斯坦認為，光線在引力場中的彎曲可等效為空間和時間本身被引力彎曲了。曲可等效為空間和時間本身被引力彎曲了。引力影響了空間和時間，稱為時空彎曲。引力影響了空間和時間，稱為時空彎曲。n記者問阿瑟記者問阿瑟愛丁頓，他是不是真的就是世愛丁頓，他是不是真的就是世界上僅有的三個能理解愛因斯坦相對論的界上僅有的三個能理解愛因斯坦相對論的人之一，愛丁頓認真地想了片刻，然后回人之一，愛丁頓認真地想了片刻，然后回答說：答說：“我正在想誰是第三個人呢。我正

19、在想誰是第三個人呢?！被蛟S以下幾句話能幫助你理解：或許以下幾句話能幫助你理解：n時間是不斷變化的，甚至還有形狀，一份時間是不斷變化的，甚至還有形狀，一份時間和三份空間結合在一起，無法解脫地時間和三份空間結合在一起，無法解脫地交織在一起，組成交織在一起，組成“時空時空”。n引力不是一種力，而是時空彎曲的一件副引力不是一種力，而是時空彎曲的一件副產品。產品。n在某種意義上，引力并不存在，使行星和在某種意義上，引力并不存在，使行星和恒星運動的是空間和時間的變形與彎曲。恒星運動的是空間和時間的變形與彎曲。用下陷的膜來用下陷的膜來比喻時空，實比喻時空，實屬無奈之舉！屬無奈之舉！因為沒包含時因為沒包含時間

20、的作用，但間的作用，但不打這個比方不打這個比方就更摸不著頭就更摸不著頭腦了。它只能腦了。它只能幫我們理解到幫我們理解到這種程度。這種程度。結論三結論三n經典力學只適用于弱引力，不經典力學只適用于弱引力，不適用于強引力。適用于強引力。結論結論n經典力學只適用于低速運動，不適用經典力學只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界。只適用于弱引力適用于微觀世界。只適用于弱引力,不不適用于強引力。適用于強引力。 經典力學的局限性經典力學的局限性相對論、量子力學與經典力學的關系相對論、量子力學與經典力學的關系n當物體的運動速度遠少于光速時，相對論

21、當物體的運動速度遠少于光速時，相對論與經典力學的結論沒區(qū)別；當另一個常數與經典力學的結論沒區(qū)別；當另一個常數即即“普朗克常量普朗克常量”可以忽略不計時，量子可以忽略不計時，量子力學與經典力學的結論沒有區(qū)別。力學與經典力學的結論沒有區(qū)別。n可見，經典力學作為某些條件下的局部情可見，經典力學作為某些條件下的局部情形，包括在量子力學和相對論之中。這種形，包括在量子力學和相對論之中。這種相容性也是新理論必須具備的立身之本。相容性也是新理論必須具備的立身之本。9、海市蜃樓的映像方向問題、海市蜃樓的映像方向問題光學中的海市蜃樓像是倒立的還是正立的?圖410、日常生活中的顏色之迷、日常生活中的顏色之迷n天空

22、、落日、紅燈、白云、香煙的煙、口里吐出的煙、遠山、海水11、功能原理與熱力學第一定律的一般形式、功能原理與熱力學第一定律的一般形式如考慮系統(tǒng)與外界之間的熱量交換，有：如考慮系統(tǒng)與外界之間的熱量交換，有：EmiE是功能原理與熱力學的綜合是功能原理與熱力學的綜合, 也是二者也是二者的一般形式。的一般形式。 是機械能變化，是機械能變化， 是內能的變化是內能的變化iEEmfiWEQ12、是熱機還是永動機？、是熱機還是永動機？電學電學n13、驗電器、驗電器 靜電計靜電計 電壓表電壓表n14、對導體接地中幾個問題的理解、對導體接地中幾個問題的理解n15、電容器儲能變化和介質受力的問題、電容器儲能變化和介質

23、受力的問題n16、電磁感應中的洛侖茲力做功問題、電磁感應中的洛侖茲力做功問題n17、模擬信號如何數字化、模擬信號如何數字化原子與原子核物理原子與原子核物理n18、光電效應與康普頓效應、光電效應與康普頓效應n19、關于質量虧損與質能方程的三個問題、關于質量虧損與質能方程的三個問題16、電磁感應中的洛侖茲力做功問題、電磁感應中的洛侖茲力做功問題17、模擬信號如何數字化、模擬信號如何數字化?n選修選修1-1中有關中有關“信息的處理與數字通訊信息的處理與數字通訊”中講到模擬信號與數字信號，它們如何轉中講到模擬信號與數字信號，它們如何轉換？換？18、光電效應與康普頓效應、光電效應與康普頓效應n實驗表明實

24、驗表明, 光電效應和康普頓效應發(fā)生的幾光電效應和康普頓效應發(fā)生的幾率率, 主要由光子的能量來確定。主要由光子的能量來確定。n有人用實驗得出如下結果有人用實驗得出如下結果:n分別使用分別使用1000 個光子穿過個光子穿過0. 1 mm 厚的鋁厚的鋁箔和鉛箔時箔和鉛箔時, 平均來說將發(fā)生什么效應。如平均來說將發(fā)生什么效應。如果以能量為果以能量為n300 KeV 的的1000 個光子通過個光子通過0. 1 mm 厚的厚的鉛箔時鉛箔時,平均只有平均只有910 個光子將產生康普個光子將產生康普頓效應、約有頓效應、約有35個將產生光電效應個將產生光電效應, 約約955 個光子則穿過鉛箔個光子則穿過鉛箔, 不受任何影響。與此相不受任何影響。與此相反反, 若能量為若能量為30 KeV 的的1000 個光子通過個光子通過0. 1 mm 厚的鋁箔時厚的鋁箔時, 大約只有大約只有56 個光子將個光子將產生康普頓效應、約有產