高中物理教学中的若干疑难问题(一)

1、高中物理教学中高中物理教学中的若干疑难问题的若干疑难问题沈启正沈启正浙江省教育厅教研室浙江省教育厅教研室提纲提纲力学力学n1、功的概念中的位移问题、功的概念中的位移问题n2、对摩擦力的若干认识、对摩擦力的若干认识n3、牛顿第一定律与第二定律的关系、牛顿第一定律与第二定律的关系n4、内力做功与质点组动能定理、内力做功与质点组动能定理n5、从非保守内力做功看牵引力的实质、从非保守内力做功看牵引力的实质n6、 帆板运动的力学原理帆板运动的力学原理n7、 潮汐的成因潮汐的成因n8、经典力学的局限性、经典力学的局限性光学光学n9、海市蜃楼的映像方向问题、海市蜃楼的映像方向问题n10、日常生活中的颜色之迷

2、、日常生活中的颜色之迷热学热学n11、功能原理与热力学第一定律的一般形式、功能原理与热力学第一定律的一般形式n12、是热机还是永动机？、是热机还是永动机？电学电学n13、验电器、验电器 静电计静电计 电压表电压表n14、对导体接地中几个问题的理解、对导体接地中几个问题的理解n15、电容器储能变化和介质受力的问题、电容器储能变化和介质受力的问题n16、电磁感应中的洛仑兹力做功问题、电磁感应中的洛仑兹力做功问题n17、模拟信号如何数字化、模拟信号如何数字化原子与原子核物理原子与原子核物理n18、光电效应与康普顿效应、光电效应与康普顿效应n19、关于质量亏损与质能方程的三个问题、关于质量亏损与质能方

3、程的三个问题1、功的概念中的位移问题、功的概念中的位移问题n功概念中的力与力方向上的位移的乘积中功概念中的力与力方向上的位移的乘积中到底是到底是 “质心的位移质心的位移”、“物体的位移物体的位移”还是还是 “力的作用点的位移力的作用点的位移”？n是质心的位移？是质心的位移？n是物体的位移？是物体的位移？n是力作用点的位移？是力作用点的位移？应是受力质点的位移！应是受力质点的位移！不要把更换受力质点与受力质点的位移混淆不要把更换受力质点与受力质点的位移混淆更换受力点不意味着受力质点产生了位移更换受力点不意味着受力质点产生了位移是受力质点的位移是受力质点的位移FcosFSFSW2、对摩擦力的若干认

4、识、对摩擦力的若干认识n摩擦力佯谬：摩擦力佯谬：n一滑块在外力的作用下一滑块在外力的作用下, 沿水平移动了沿水平移动了S 路程路程. 设设外力外力F 等于滑块所受摩擦力等于滑块所受摩擦力f , 则滑块做匀速直线则滑块做匀速直线运动运动, 根据功能原理根据功能原理FS - f S = 0 另一方面另一方面, 由于摩擦生热由于摩擦生热, 滑块温度升高滑块温度升高, 内能增加内能增加. 既然作用于滑块的外力做功与摩擦力做功相互抵既然作用于滑块的外力做功与摩擦力做功相互抵消消, 那么滑块增加的内能从何而来那么滑块增加的内能从何而来?几点基本共识几点基本共识n对功的定义的共识 n对动能定理的共识 n对静

5、摩擦力做功的共识 n力与力所作用质点的位移的标积作为功的定义。力与力所作用质点的位移的标积作为功的定义。 n外力对质点的功等于质点动能的增量外力对质点的功等于质点动能的增量.质点组的动质点组的动能定理表明能定理表明,外力的功反映的是系统内部动能与系外力的功反映的是系统内部动能与系统外部能量间的转移或转化，内力的总功反映的统外部能量间的转移或转化，内力的总功反映的则是系统内部动能与系统内部其他形式能量间的则是系统内部动能与系统内部其他形式能量间的转移或转化。转移或转化。n静摩擦力静摩擦力无论是一个摩擦力还是一对静摩擦无论是一个摩擦力还是一对静摩擦力力无论做功或不做功时均不生热。无论做功或不做功时

6、均不生热。(1)例析例析“摩擦力做功生热摩擦力做功生热”的问题的问题n叠放的叠放的A、B两物体，放在光滑水平面上，给两物体，放在光滑水平面上，给A一水平初速，一水平初速，过一时间后，两者达到不同速度。因摩擦生热致使过一时间后，两者达到不同速度。因摩擦生热致使A 、B 两物体内能均增加两物体内能均增加. 但但A物体因摩擦增加的内能：物体因摩擦增加的内能：n 结论：n仅仅通过功能关系(动能定理) 是不能求得对象系统因摩擦生热而增加的内能n将A 、B 两物体视为一个质点组系统, 由质点组的动能定理有L需要说明的是: （2）摩擦力做功等于摩擦力与路程的乘积）摩擦力做功等于摩擦力与路程的乘积?n书上有这

7、样一段话：滑动摩擦力做功要看书上有这样一段话：滑动摩擦力做功要看物体运动的路程而不是位移，这是摩擦力物体运动的路程而不是位移，这是摩擦力做功的特点，必须牢记。做功的特点，必须牢记。n对否？对否？结论n计算摩擦力做功时应该注意摩擦力方向是计算摩擦力做功时应该注意摩擦力方向是否改变。否改变。n用摩擦力乘以路程求功不是摩擦力的本质用摩擦力乘以路程求功不是摩擦力的本质特征，而是因为摩擦力方向往往改变，一特征，而是因为摩擦力方向往往改变，一直做负功所致。直做负功所致。3、牛顿第一定律与第二定律的关系、牛顿第一定律与第二定律的关系n观点：观点：n“ 牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例牛顿第一定律是牛顿第二定

8、律的特例” ， “ 牛顿第一定律没有独立存在的必要牛顿第一定律没有独立存在的必要” ，“有了牛顿第二定律有了牛顿第二定律, 牛顿第一定律就是可牛顿第一定律就是可有可无的了，它仅是一种有可无的了，它仅是一种“ 哲学讨论哲学讨论” 。n揭示了物体不受力时的运动规律。揭示了物体不受力时的运动规律。n发现了物体惯性的存在。发现了物体惯性的存在。n揭示了惯性系（不存在加速度的参考系）揭示了惯性系（不存在加速度的参考系）的存在。的存在。n在选定了惯性参照系后在选定了惯性参照系后, 才以这种惯性参照才以这种惯性参照系作为研究力学问题的出发点系作为研究力学问题的出发点, 总结出牛顿总结出牛顿第二定律。第二定律

9、。 4、内力做功与质点组动能定理、内力做功与质点组动能定理5、从非保守内力做功看牵引力的实质、从非保守内力做功看牵引力的实质6、 帆板运动的力学原理帆板运动的力学原理7、 潮汐的成因潮汐的成因8、经典力学的局限性、经典力学的局限性1、从低速到高速、从低速到高速n例如：在以例如：在以20ms的速度行驶的汽车上，有人以的速度行驶的汽车上，有人以25ms的速度将一物体抛出，在路边的观察者看的速度将一物体抛出，在路边的观察者看来，如果车上的人向前抛，那么被抛物体的速度应来，如果车上的人向前抛，那么被抛物体的速度应为两速度之和即为两速度之和即45ms；如果车上的人向后抛，；如果车上的人向后抛，就应是两速

10、度之差即就应是两速度之差即5ms。 vvv物对人物对车车对人n若把抛出物体改成用若把抛出物体改成用 手电筒发射一束光，由手电筒发射一束光，由 若车仍以一定的速度若车仍以一定的速度v运动，光速方向与车速同运动，光速方向与车速同向时，向时，c=c+v； 反向时，反向时，c=cv。n但迈克尔逊一莫雷等实验不支持这结论，但迈克尔逊一莫雷等实验不支持这结论，实验结果都是实验结果都是c=c。ccv光对人光对车车对人问题出在问题出在哪里？哪里？牛顿的时空观牛顿的时空观 时间象一条长河，均匀地自由流逝着，时间象一条长河，均匀地自由流逝着，它计量着运动物体的持续性，且任何物体它计量着运动物体的持续性，且任何物体

11、都影响不了它。即时间独立于物体及其运都影响不了它。即时间独立于物体及其运动而存在。动而存在。 空间象一个广阔无边的大厅，它给物体空间象一个广阔无边的大厅，它给物体提供一个提供一个“舞台舞台”，但并不干扰物体的，但并不干扰物体的“演出演出”。即空间是独立于物体及其运动。即空间是独立于物体及其运动而存在的。而存在的。 ccv甲对丙甲对乙乙对丙 速度与位移及时间有关。在牛顿时空速度与位移及时间有关。在牛顿时空观下，位移与时间的测量与参考系无关，观下，位移与时间的测量与参考系无关，故虽然有二个参考系，仍可写成下式：故虽然有二个参考系，仍可写成下式： 但相对论认为，同一件事的位移和时但相对论认为，同一件

12、事的位移和时间的测量值在不同参考系中是不同的，故间的测量值在不同参考系中是不同的，故上式不能成立！特别是物体运动速度接近上式不能成立！特别是物体运动速度接近光速时光速时, ,差异更明显差异更明显, ,经典力学也就失效了。经典力学也就失效了。 又例如，经典力学认为物体的质量又例如，经典力学认为物体的质量m m是不变是不变的，与物体运动状态无关。的，与物体运动状态无关。021mmvc 而爱因斯坦认为物体运动的速度不可以超而爱因斯坦认为物体运动的速度不可以超过真空中的光速。在接近光速的情况下，过真空中的光速。在接近光速的情况下，物体的质量要物体的质量要随物体运动速度的增大而增随物体运动速度的增大而增

13、大！大！例如，物体运动的速度例如，物体运动的速度v=0.8c时，物体的质量约时，物体的质量约增大到静止质量的增大到静止质量的1.7倍。倍。 一定的力产生一定的加速度一定的力产生一定的加速度, ,物体的速度可以物体的速度可以超过光速。超过光速。爱因斯坦狭义相对论观点爱因斯坦狭义相对论观点1、空间、时间与物体的运动状态有、空间、时间与物体的运动状态有关。运动时间和运动物体的长度都关。运动时间和运动物体的长度都会随着运动速度的变化而变化。绝会随着运动速度的变化而变化。绝对时间、绝对空间是不存在的。对时间、绝对空间是不存在的。2、对任何惯性系，在真空中沿任意、对任何惯性系，在真空中沿任意方向传播的光速

14、都相同，且与光源方向传播的光速都相同，且与光源的运动状态无关。的运动状态无关。结论一结论一n经典力学只适用于低速运动，经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动。不适用于高速运动。2、从宏观到微观、从宏观到微观n19世纪末到世纪末到20世纪初，是物理学家研究微观粒子的鼎盛世纪初，是物理学家研究微观粒子的鼎盛时期。时期。n但微观粒子所表现出的特性使经典力学匪夷所思：但微观粒子所表现出的特性使经典力学匪夷所思：n微观粒子的表现有时象粒子，有时象波，根本不符合力学微观粒子的表现有时象粒子，有时象波，根本不符合力学规律。无法准确测出电子在任何特定时刻的位置（测不准规律。无法准确测出电子在任何特定时刻的

15、位置（测不准原理）。原理）。n电子可以从一个轨道跳到另一个轨道，而又不经过中间的电子可以从一个轨道跳到另一个轨道，而又不经过中间的任何空间。任何空间。n物质突然从无到有，而又突然从有到无物质突然从无到有，而又突然从有到无n一个粒子可以立即影响相距几万亿公里以外的另一个粒子。一个粒子可以立即影响相距几万亿公里以外的另一个粒子。速度之快令光速汗颜！速度之快令光速汗颜！n爱因斯坦不太相信量子力学，他说过：爱因斯坦不太相信量子力学，他说过：“上帝不玩骰子上帝不玩骰子”。n玻尔说：要是谁第一次听说量子力学玻尔说：要是谁第一次听说量子力学时没有发火，这说明他没有理解。问时没有发火，这说明他没有理解。问题不

16、在于它是否荒唐，而是它是否足题不在于它是否荒唐，而是它是否足够荒唐。够荒唐。n当有人问海森伯由量子力学想像一下当有人问海森伯由量子力学想像一下原子的模样，他回答说：原子的模样，他回答说：“哦，请别哦，请别这样干，做不到。这样干，做不到。”量子力学能解释这些现象，你信吗？量子力学能解释这些现象，你信吗？结论二结论二n经典力学只适用于宏观世界，经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观世界。不适用于微观世界。3、从弱引力到强引力、从弱引力到强引力n引力的强弱：如果在引力的作用下，物体引力的强弱：如果在引力的作用下，物体的运动速度远小于光速，引力就是弱的。的运动速度远小于光速，引力就是弱的。反之，如果物

17、体在引力作用下运动速度接反之，如果物体在引力作用下运动速度接近光速，引力就是强的。近光速，引力就是强的。n牛顿的万有引力定律是经典力学的登峰之牛顿的万有引力定律是经典力学的登峰之作，但它无法解释强引力作用下发现的现作，但它无法解释强引力作用下发现的现象：水星的进动、光线弯曲、引力红移、象：水星的进动、光线弯曲、引力红移、雷达回波的延迟等等。雷达回波的延迟等等。43水星进动速度为每百年水星进动速度为每百年爱因斯坦爱因斯坦1915年创立广义相对论引进了全新的年创立广义相对论引进了全新的时空弯曲和引力理论，很好地解释这些现象时空弯曲和引力理论，很好地解释这些现象.预言强引力下光线会弯曲预言强引力下光

18、线会弯曲你能想象时空弯曲吗你能想象时空弯曲吗?n相对论的时空观不是凭直觉所能完全搞懂相对论的时空观不是凭直觉所能完全搞懂的。爱因斯坦认为，光线在引力场中的弯的。爱因斯坦认为，光线在引力场中的弯曲可等效为空间和时间本身被引力弯曲了。曲可等效为空间和时间本身被引力弯曲了。引力影响了空间和时间，称为时空弯曲。引力影响了空间和时间，称为时空弯曲。n记者问阿瑟记者问阿瑟爱丁顿，他是不是真的就是世爱丁顿，他是不是真的就是世界上仅有的三个能理解爱因斯坦相对论的界上仅有的三个能理解爱因斯坦相对论的人之一，爱丁顿认真地想了片刻，然后回人之一，爱丁顿认真地想了片刻，然后回答说：答说：“我正在想谁是第三个人呢。我正

19、在想谁是第三个人呢。”或许以下几句话能帮助你理解：或许以下几句话能帮助你理解：n时间是不断变化的，甚至还有形状，一份时间是不断变化的，甚至还有形状，一份时间和三份空间结合在一起，无法解脱地时间和三份空间结合在一起，无法解脱地交织在一起，组成交织在一起，组成“时空时空”。n引力不是一种力，而是时空弯曲的一件副引力不是一种力，而是时空弯曲的一件副产品。产品。n在某种意义上，引力并不存在，使行星和在某种意义上，引力并不存在，使行星和恒星运动的是空间和时间的变形与弯曲。恒星运动的是空间和时间的变形与弯曲。用下陷的膜来用下陷的膜来比喻时空，实比喻时空，实属无奈之举！属无奈之举！因为没包含时因为没包含时间

20、的作用，但间的作用，但不打这个比方不打这个比方就更摸不着头就更摸不着头脑了。它只能脑了。它只能帮我们理解到帮我们理解到这种程度。这种程度。结论三结论三n经典力学只适用于弱引力，不经典力学只适用于弱引力，不适用于强引力。适用于强引力。结论结论n经典力学只适用于低速运动，不适用经典力学只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界。只适用于弱引力适用于微观世界。只适用于弱引力,不不适用于强引力。适用于强引力。 经典力学的局限性经典力学的局限性相对论、量子力学与经典力学的关系相对论、量子力学与经典力学的关系n当物体的运动速度远少于光速时，相对论

21、当物体的运动速度远少于光速时，相对论与经典力学的结论没区别；当另一个常数与经典力学的结论没区别；当另一个常数即即“普朗克常量普朗克常量”可以忽略不计时，量子可以忽略不计时，量子力学与经典力学的结论没有区别。力学与经典力学的结论没有区别。n可见，经典力学作为某些条件下的局部情可见，经典力学作为某些条件下的局部情形，包括在量子力学和相对论之中。这种形，包括在量子力学和相对论之中。这种相容性也是新理论必须具备的立身之本。相容性也是新理论必须具备的立身之本。9、海市蜃楼的映像方向问题、海市蜃楼的映像方向问题光学中的海市蜃楼像是倒立的还是正立的?图410、日常生活中的颜色之迷、日常生活中的颜色之迷n天空

22、、落日、红灯、白云、香烟的烟、口里吐出的烟、远山、海水11、功能原理与热力学第一定律的一般形式、功能原理与热力学第一定律的一般形式如考虑系统与外界之间的热量交换，有：如考虑系统与外界之间的热量交换，有：EmiE是功能原理与热力学的综合是功能原理与热力学的综合, 也是二者也是二者的一般形式。的一般形式。 是机械能变化，是机械能变化， 是内能的变化是内能的变化iEEmfiWEQ12、是热机还是永动机？、是热机还是永动机？电学电学n13、验电器、验电器 静电计静电计 电压表电压表n14、对导体接地中几个问题的理解、对导体接地中几个问题的理解n15、电容器储能变化和介质受力的问题、电容器储能变化和介质

23、受力的问题n16、电磁感应中的洛仑兹力做功问题、电磁感应中的洛仑兹力做功问题n17、模拟信号如何数字化、模拟信号如何数字化原子与原子核物理原子与原子核物理n18、光电效应与康普顿效应、光电效应与康普顿效应n19、关于质量亏损与质能方程的三个问题、关于质量亏损与质能方程的三个问题16、电磁感应中的洛仑兹力做功问题、电磁感应中的洛仑兹力做功问题17、模拟信号如何数字化、模拟信号如何数字化?n选修选修1-1中有关中有关“信息的处理与数字通讯信息的处理与数字通讯”中讲到模拟信号与数字信号，它们如何转中讲到模拟信号与数字信号，它们如何转换？换？18、光电效应与康普顿效应、光电效应与康普顿效应n实验表明实

24、验表明, 光电效应和康普顿效应发生的几光电效应和康普顿效应发生的几率率, 主要由光子的能量来确定。主要由光子的能量来确定。n有人用实验得出如下结果有人用实验得出如下结果:n分别使用分别使用1000 个光子穿过个光子穿过0. 1 mm 厚的铝厚的铝箔和铅箔时箔和铅箔时, 平均来说将发生什么效应。如平均来说将发生什么效应。如果以能量为果以能量为n300 KeV 的的1000 个光子通过个光子通过0. 1 mm 厚的厚的铅箔时铅箔时,平均只有平均只有910 个光子将产生康普个光子将产生康普顿效应、约有顿效应、约有35个将产生光电效应个将产生光电效应, 约约955 个光子则穿过铅箔个光子则穿过铅箔, 不受任何影响。与此相不受任何影响。与此相反反, 若能量为若能量为30 KeV 的的1000 个光子通过个光子通过0. 1 mm 厚的铝箔时厚的铝箔时, 大约只有大约只有56 个光子将个光子将产生康普顿效应、约有产