高中物理教师备课中的"深入"意识

高中物理教师备课中的“深入”意识

福建省诏安县教育局教研室 （363500） 特级教师 吴超男

本文所谓的“深入”，是指高中物理教师在备课中通过对授课内容及其相关知识的深刻理解和准确把握，以及对授课核心内容在教材体系中地位和作用的深度认识，从而达到对其重点、难点和疑点摸准吃透、了然于胸的高境界；并因此能够做到在课堂教学中科学和适度的“浅出”，让学生从易懂会学到真懂巧学，实现物理高效课堂教学的目标。

一、对物理概念和规律宽透理解的“深入”意识

物理概念是物质运动及其属性的一种思维方式的客观反映，是物理学的精髓；物理规律是物质属性的内在联系，是物理学的灵魂。为此，引导学生深化对物理概念和规律内涵的理解掌握，是正确求解物理问题的前提与基础。

例1、理清交流电有效值的来龙去脉

交流电的有效值是根据纯电阻电路中电流的热效应来规定的：如果让交流电和直流电通过同样阻值电阻且两电阻在相同时间内产生热量相等，物理学上就把这一直流电的数值称为这一交流电的有效值。当然这里所说的数值，既可以是电流值，也可以是电压值或电势差值。

如在图1所示的电路中，一理想变压器原线圈跟副线圈匝数比

电源电压U N 1:N 1=1:2，=220V，A 是额定电流I 0=1A 的保险丝，R 是

可变电阻。为了不使原线圈中电流超过I 0，调节电阻R 其阻值最低不

能小于多少？

引导点拨：要使原线圈中电流不超过I 0，则输入功率不应超过I 0U 。设副线圈两端电压为U '，流过电流为I ，据理想变压器原理得：

A

图1

I 0U =I U ' （1） I 0

I =N 2

N 1U 又有U '=N 1

N 2或， （2）

及U '=IR ； （3）

以上三式联立求解，可得

R =（N 2

N 1）2U I 0=（21）⨯22201=880Ω

但众多学生对以上正确思路并不认同，他们固执、错误地以为：如果用220 V的有效值去计算，得到的最低阻值是880 Ω，但电压的瞬时值可达2202 V ；所以应该用U m =2202V 代入计算。因此，将上列各式中出现U 的地方统统改为交流电的极大值U m ，使最后得数变为8802Ω，从而断定最低阻值880 Ω是错误的。他们坚信，若真的将880Ω的电阻接入电路，则当电压达最大值时，由于

I '=U m

R /∙I 0=/N 2N 1I '，变压器的初级电流会超过题目所告诉的I 0值，I 0/

保险丝就会熔断。这种似是而非的分析在学生中很有代表性。这些学生显然对交流电的有效值概念不清楚，不理解有效值的来龙去脉，不懂得交流电与直流电热效应的等效性；实际上由于热量的积累需要一个过程，对于电流热效应问题，瞬时值没有任何实际意义。此题中保险丝的熔断就纯属热效应问题。

另一方面，如果是在电容器两端加上有效值220 V的交流电，那么这个电容器的耐压值最少应该多大时才不会被击穿呢？这个问题则与上述情况不同；此时电容器耐压值应不低于2202 V 。显然，电容器是否会被击穿不属于电流热效应范畴，而是电介质绝缘性能遭到破坏的问题。某种介质材料所能承受最大电场强度称为该种介质的击穿场强；只要场强瞬时值大于击穿场强，介质就可能被击穿，并不需要有一个积累过程；这是与电流热效应性质不同之处。

深思小结：所谓交流电有效值，是指在同一时间内与直流电产生相同热效应的交流电数值。对此更要深入具体理解：①有效值是能等效替代交流电的直流电数值；②有效值是根据电流通过电阻时产生热效应来定义的；③所说的等效前提条件是“同一电阻”和“同一段时间”。④对于周期性交流电，应取其周期的整数倍；亦即保证足够的考察时间。

例2、正确理解 “摩擦做功”和“摩擦生热”关系

“摩擦生热”是人所共知的俗语，但如果以为摩擦一定会“生热”，摩擦力做功就一定“生热”，那就是非常片面的理解了。

实际上，摩擦力可以是物体的动力，也可以是阻力；当然摩擦力也就既能做正功又能做负功。物体间有静摩擦力相互作用时两物体相对静止，但物体可以对地移动，所以静摩擦力也可能做功。如把工件放在输送带上，相对输送带静止一起做加速或减速运动时，输送带上的工件所受静摩擦力分别对工件做正、负功。另有一个容易被忽视的问题是：摩擦力可以不做功。比如，以地面为参照系时，车轮轮胎所受地面的静摩擦力由于其作用点没有位移而不对轮胎做功。由物理知识可知，一个系统内相互作用的一对摩擦力f 1与f 2所做功的绝对值之

差∆W 等于摩擦而转化的内能（热）Q ，而∆W 等于摩擦力与相摩擦的两物体位移之差的乘积，即Q =∆W =f (S 1-S 2) =f ∆S 。当相互作用物体

∆S 间产生的力是一对静摩擦力时两物体间无相对位移，即

∆S =S 1-S 2=0，由此得Q =∆W =0。所以，在以上所说的静摩擦力做功过程中并没有伴随着机械能的损耗，显然不存在机械能与内能的相互转化问题。其实，静摩擦力做功只能使系统内的机械能在物体间传递或发生机械能形式的转换，因而机械能是守恒的。

深思小结：当两个相互作用并产生摩擦力的物体发生相对滑动（互以对方为参考对象）时，摩擦力所做的功才将机械能转化为内能，也就是“生热”了，因为S 1≠S 2, ∆S ≠0⇒Q =∆W ≠0。无疑，滑动摩擦

力做功时就有机械能的损失，存在“摩擦生热”问题，机械能不守恒；而静摩擦力做功时并不产生机械能与其它形式能的转化，此时摩擦并不“生热”。

二、对物理核心知识点深度把握的“深入”意识

没有对核心知识点的深度把握，就没有对学科知识体系的系统驾驭和科学应用，也就谈不上拥有系统和深厚的物理素养和物理思想。 例3、对场源电流变化引起所产生的磁场随之变化问题的深度认识

由导体切割磁感线与由闭合电路中磁场变化产生感应电动势两种情况微观机制不同；从以下例子我们就清楚了这个本质区别。前者洛仑兹力为非静电力，后者感应电场力为非静电力；非静电力搬运电荷做功，都是把其它形式能转化为电能。洛仑兹力虽然不做功，却是不同形式能量转化的桥梁。

甲 乙

图2

如图2：甲、乙两个带电粒子，以相同的动能在匀强磁场中运动。甲从B 1区域运动到B 2区域，且B 2>B 1；乙在匀强磁场中作匀速圆周运动，且在∆t 时间内，该磁场的磁感应强度从B 1增大到B 2。则当磁场达到B 2时，甲、乙两粒子的动能变化情况是：A 、都保持不变；B 、甲不变，乙增大；C 、甲增大，乙不变；D 、甲不变，乙减小；E 、甲减小，乙增大。

引导点拨：本题正确答案为B ；不少却以为A 才对。他们认为：虽然磁场的磁感应强度变化会使在磁场中运动的甲、乙两粒子所受的

洛仑兹力大小也发生变化，不过由于洛仑兹力并不做功，所以两粒子动能会保持不变。

实际上这种分析只对甲粒子成立。对乙粒子而言，由于磁场从B 1增大到B 2的过程中，变化的磁场将产生感应电场，由楞次定律判断出，感应电场的方向为正视顺时针方向。假如乙粒子带正电，由左手定则可知该粒子必然正视顺时针转动，这样感应电场力将对其做正功，粒子动能增大（当然，感应电场力对负粒子做正功，同样可使粒子动能增大）。毫无疑问，在感应电场力作为非静电力做功的过程中，是把产生变化磁场的场源电流的电能转化为带电粒子的动能，这正是问题的实质所在。

深思小结：场源电流发生变化引起所产生的磁场随之变化问题，只能用楞次定律判定感应电动势与感应电流方向，不能用右手定则；而导体切割磁感线产生感应电动势的方向既可以用右手定则，也可以用楞次定律来判定。楞次定律可广泛适用于因磁通变化而产生的电磁感应现象；其实右手定则的判定可以视为楞次定律使用的特例。

三、对物理疑难问题剖析释惑的“深入”意识

物理疑难问题大量且客观存在，教师更应当去勇敢面对。只有清醒的老师，才会有智慧的学生。

例4、 “光电效应”疑云的驱散

“光电效应”在中学物理“光的本性”这一板块中占有显著位置，在光电效应教学中，学生常常会提出如下疑问：入射光频率等于极限频率时，能否产生光电效应呢？

现行教材及相关教辅材料都对光电效应有比较一致的说法：“物质在光的照射下释放出电子的现象”；“在光的照射下从物体发射出电子的现象”；“在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象”等等；当然前面所提到的光均含不可见光。同时也都这样表述：“任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应，低于这个频率不能发生光电效应”。美国高中主流理科教材2008版《物理：原理与问题》一书也认为：“电磁辐射照射到物体上并使其发射电子的现象叫做光电效应”；显然电磁辐射比光所涉范围要广得多但不矛盾，以上光电效应各种表述是容易形成共识的。

但现在的问题是：当入射光频率等于极限频率时，究竟能不能产生光电效应呢？答案是肯定的。由于极限频率ν0

坦光电效应方程1

2mv 2=W /h ，根据爱因斯=h ν-w ，当νν=0=ν0时，。这就是说，当入射

光频率等于极限频率（又叫截止频率）时，电子能够从金属表面发射．．出来，也就是能够从金属表面脱出，只不过脱出后电子速度为零。如．．

果这时有外电场存在，电子从金属表面脱出后将作定向移动形成光电流。毋庸置疑，从这个意义上说，入射光频率等于极限频率时，能够产生光电效应。《物理：原理与问题》有一段表述：“当入射光的频率等于或大于截止频率时，增加照射光的强度，光电流就会增大”。这．．

有力地支持了以上观点。

深思小结：存在多年的《中学物理教师手册》在定义极限频率时指出：“仅当光照射物体的光频率不小于某个确定值，物体才能发出．．．

光电子，这个频率ν0就叫做极限频率”这里“不小于”即包括“大于”

和“等于”的情况。还有不少的习题中就有“使XXX 产生光电效应的光子最长波长”等等这一提法，同样说明了这一点。

例5、正确认识核反应中的质量亏损问题

如果只考虑核反应前后的静质量之差，而没有考虑核反应后的运．．动质量部分，也就是没有把核反应后产物的增益质量、辐射出的光子．

质量计算在内的话，那么静质量不守恒；质量亏损结论就是在这种条．

件下得到的。质量亏损是指核反应前所有核子质量之和与反应后所有核子质量之和的差值。

当然，按照爱因斯坦的观点，质量和能量是相关的；核反应存在质量亏损是否意味着违背质量守恒定律呢？事实并非如此；教学中要谨防把质量亏损误解为形成微观世界的质量不守恒。其实如果能够正确理解质量守恒定律，那么核反应前后是不存在质量亏损的。首先，这里的质量是相对论质量；其次，是总质量守恒，除了核反应产物，各种射线质量也必须计算在内；第三，要认识到质量在形式上的转化，例如通常遇到的静质量转化为核反应产物的质量和辐射出的光子的质量。

深思小结：对质量守恒的正确理解是认识质量亏损的前提。在原子核教学中，要特别有意防止在观点上讲死、内容上讲错的情况；同时，要注意引导学生简单地了解一些新观点和定性地了解一些新内容，突破经典力学观念上的束缚。

四、对物理解题思路拓展升华的“深入”意识

物理题型繁多且千变万化，解决方法各异；至于究竟用哪一种方

法去解题，拓展方法多多，勿需多言，现仅举几例：

例6、柳暗花明的辩证转换

如图3，ABCD 是一位于竖

直平面内光滑轨道，水平部分BC

较长，其两端分别与半径为R 的

1A R 2r

B P 圆弧AB 和半径为r 的半圆弧

CD 相切。从水平轨道上的P 点

斜向上抛出一小球，正好使小球4图3 C

1

沿水平方向进入半圆弧最高点D ，然后沿轨道运动一直上升到4圆弧轨道的最高点A 。求：

（1）小球抛出的初速度大小和方向；

（2）抛出点P 到C 的距离。

引导点拨：此类题解答时很容易从小球运动方向P →D →C →B →A 正向思考，按部就班。其中涉及到P →D 的斜抛运动，求解过程会相当复杂，自然容易出错，往往最终功败垂成。应该活学活用，巧用逆向思维．设想小球从A 静止释放，经B 、C 到D ，然后从D →P 做平抛运动，这样一来，不就简明快捷得多了吗。

（1）小球运动过程中只有重力对它做功，当然机械能守恒，则：υp =2gR ，υD =2g (R -2r ) ．又小球从D 到P 是做平抛运动，可得

(R -2r ) /R υD =υp cos θ，cos θ

(R -2r ) /R=υD /υp =．这样υp 与水平方向夹角为θ=arc cos 。

（2）PC =υD t =2g (R -2r ) ⋅4r /g =22r (R -2r )

深思小结：很多问题的解决往往都有相对固定的思维方式，但正面的思维有时并不能获得满意的进展；其实反过来想一想，说不定会创造出意想不到的效果。在符合物理理论依据的框架内，针对题目实际情况，实施辩证转换，却常常可以使某些棘手问题的解答过程峰回路转。

例7、解题中数学意识的强化

如图4所示：在竖直平面内有一圆环，在同一平面内有一点A ，问应选择怎样的光滑直轨道，才能使得自A 沿该轨道无初速滑下的物

体到达圆周所用的时间最短？

B

G

D θA E

F E'

图4 图5

引导点拨：过A 点任引一条光滑直轨道AD ，交圆环于C 、D 两点。设AD 与DE 的夹角为θ，过A 点作水平线DE 的垂线，交DE 于E 点，如图5所示。 因为AC 2==121

2(g sin θ) t g (AE

AD 2 2) ∙t 所以t 2=2AC ∙AD

g ∙AE

2据平面几何中的“切割线定理”得 AC ∙AD =AB ，故t 2=2AB 2

g ∙AE

其中AB 为自A 点所作该圆环一条切线的长，当A 点和圆环相对位置确定后，AB 即为一定值。这样，AE 值越大，t 值就越小。而由图5可知，AE 的最大值应出现在当D 点沿圆环移到最低点F 处时，此时AE max =A E '. 。也就是说，应当选择如图5所示的AF 轨道，此时物体自A 点无初速滑下到达圆环（G 点）所需时间才最短。

深思小结：学生数学意识淡薄是解答相当一部分物理题失败的原因。强化物理解题过程中的数学意识，防止思维的僵化与思路的闭塞，

提高学生应用数学处理物理问题的能力绝不能掉以轻心。

例8、解题思维的开放及特殊点切入的果敢

如：已知万有引力常量G ，地球半径R ，月球和地球之间的距离

r ，同步卫星距地面的高度h

，月球绕地球的运转周期T 1，地球的自

转周期T 2，地球表面的重力加速度g 。某学生根据以上条件，提出一种估算地球质量M 的方法：

G =

Mm h

2

=m (

2πT 2

) h

2

M =

4πh GT 2

2

23

同步卫星绕地心作圆周运动，由，得。

（1）请判断上面的结果是否正确，并说明理由；如不正确，请给出正确的解法和结果。

（2）请根据已知条件再提出两种估算地球质量的方法并解得结果。

引导点拨：（1）此结果错误。地球半径R 在计算过程中不能忽略。

G

Mm (R +h )

2

=m (

2πT 2

) (R +h )

2

M =

4π(R +h )

GT 2

2πT 1

) r

2

23

正确的解法和结果：，得

G Mm r

2

=m (

（2）方法1：对月球绕地球作圆周运动。由

M =

4πr GT 1

22

3

，得

G Mm R

2

方法2：在地面重力近似等于万有引力，由

=mg

，得

M =

gR G

2

深思小结：此类题具有明显的开放性，启示我们物理问题的估算方法往往不止一种，要善于应用不同方法从不同角度对同一问题进行估算，同时比较出不同方法的优劣。

又如2012年福建省高考压轴题：图6甲，在x . >0的空间中存在

沿y 轴负方向的匀强电场和垂直于x 0y 平面向里的匀强磁场，电场强度大小为E ，磁感应强度大小为B 。一质量为m ，带电量为q (q >0) 的粒子从坐标原点0处，以初速度υ0沿x 轴正方向射入，粒子的运动轨迹见图甲，不计粒子的重力。

（1）求该粒子运动到y =h 时的速度大小υ；

（2）现只改变入射粒子初速度的大小，发现初速度大小不同的粒子虽然运动轨迹（y -x 曲线）不同，但具有相同的空间周期性，如图乙所示；同时，这些粒子在y 轴方向上的运动（y -ι关系）是简谐运动，且都有相同的周期T

=2πm qB

。

Ⅰ求粒子在一个周期T 内，沿x 轴方向前进的距离S ； Ⅱ当入射粒子的初速度大小为υ0时，其y -ι图象如图丙所示，求该粒子在y 轴方向上做简谐运动的振幅A ，并写出y -ι的函数表达式。

图6

甲

引导点拨：需要特别探讨的是第（2）小题的第一问。由图乙可知，所有粒子在一个周期T 内沿x 轴方向前进的距离相同，即都等于恰好设粒子沿x 轴方向匀速运动的速度大小为υ1，则

q υ1B =E q s =υ1T

， 式

中T

=

2πm qB

，由二式解得S

=

2πmE qB

2

。

由于要将题中的物理量与水平位移联系起来，并不失时机地利用“粒子在一个周期T 时间内沿x 轴方向前进的距离恰好等于沿x 轴方向匀速运动的粒子在T 时间内前进的距离”这一特殊过程作为条件切入；这是一个很难发现和想到但又必须采用方能实现解题成功的方法，使得这道题的成功解答具有一定的偶然性，因此区分度受到质疑。

深思小结：虽然上题中利用特殊过程解题没有普遍性，但也正因为如此，才凸显了利用特殊点切入的胆量和眼观！为此，解题时一定要展开智慧的翅膀，积极科学地进行多角度、全方位、立体式的思维。

当然，以上所讲的四个“深入”，仅仅是为了探讨问题的便利而有意突出某个方面来划分和说明问题的，实际上它们之间彼此相互渗透和融合；而且由于篇幅限制，不少需要“深入”的方面也没有涉及。

综上所述，高中物理教师在备课中下苦功夫追求“深入”，就是为了在高效授课时能够做到“浅出”；只有“深入”才能“浅出”， “深入”为出发点，“浅出”乃落脚点。当然，值得注意的是，教师在备课过程中所“深入”的相当部分，并不要求学生完全掌握，在给学生授课时要把握应有的“度”；但作为授课教师却是必须真懂真知的。无疑，强化教师备课中的“深入”意识，也是物理教师提高自身修养，实现专业成长的必由之路。