中学物理教学中的科学性错误案例及其分析

1、中学物理教学中的科学性错误案例及其分析中学物理教学，首先应当注重的是教学的科学性。无论是对物理现象、物理概念 和物理规律的描述，还是实验或练习题的内容、数据等等都应当是准确无误的。有些问 题在中学阶段不可能一次讲深、讲透、讲全，但在内容和方法上不应有科学性错误。笔 者从中学物理教辅材料中以及听课中发现一些科学性错误，本文就通过其中的几个科学性错误的实例来分析、讨论产生错误的原因以及如何避免错误的发生。一、中学物理教学中常见的科学性错误1.沿不可伸长的杆的方向的加速度相等吗？例1某一构件由两个菱形组成，如图1所示，AB和DE是两根硬杆，各交点都用光滑较链连接。大菱形的边长是21，小菱形边长是l。

2、现设法使顶点F以匀加速度a水平向右运动，求：(1)C点的加速度多大？(2)求当两个菱形都是正方形，F点的速度为v时，A点的加速度的大小和方向。命题者的解答如下:(1)因为0c CF = 2： 1 ,所以C点的加速度a,2是F点加速度的年，即3%=2色(2)4点的加速度由它的切向加速度Q“和法 向加速度4,构成口由于4c杆的长度不会变化,因此力点的切向 加速度应该和C点的加速度沿AC杆的分量相同,Ta e为了求出4上，先要:设法求出力点的速度打口2271 r.114z%=yr=弓r，4 =了：= 下，因此二 9/，% =%/ +%】上面解答中认为：A点的切向加速度和 C点的加速度沿 AC杆的分量

3、相同，即认 为沿不可伸长的杆的方向的加速度是相等的。笔者认为此结论仅适用于杆的平动问题， 像上例是错误的，更不能推广到普遍的情况。下面通过例子来说明。如图2所示，长为l的杆AB沿着墙壁滑下，设 OA=r OB=y,则/+/=图2两边求导得义华= at at即划.二当，也可表示为：= vysinao此式表明：两端点的速度沿杼方 向的分量是相等的口对式刈二为两边求导同除以，,可得：*COSOf+ - = avsma 一十I I 上式可表示为：.4+彳. (vx/ina)2a cosa a sina - -: =a sina 一 :0I TI此式说明杆两端点的加速度沿杆方向的分量是不相等的，两者的差

4、值为A相对于B的法向加速度。我们可以得出这样的结论：对于轻杆在非平动的运动过程中，两端点的速度沿杆方向的分量是相等的，两端点的加速度沿杆方向的分量是不相等的，两者的差值为一个端点相对于另一端点的法 向加速度。.在串联电路中交变电流总电压的有效值等于分电压的有效值之和吗？例2如图3所示，理想变 压器的初、次级分别接着完全相 同的灯泡乙12,初、次级线圈的 匝数比，0：% =2： 1,交流电源电 压为。,则（）A.灯匕两端的电压为名3B.灯匕两端的电压为此C.灯右两端的电压为华D.灯L2两端的电压为苧命题者的解析:原、副线圈中电流之比/,：/2 =勺：勺=1：2,因为q二0r,3=/2R,所以5：

5、力;1：2。原、副线圈中电压之比/幺=乜，因此,q M fl2=（4=2% 故答案为A、C。上面的题解中认为原线圈两端的电压等于电 源电压与灯泡两端电压之差是错误的。在交流电 流中，对电阻元件电压和电流的位相差为零，对电 感元件电压比电流超前”/2。当电阻和电感串联 时,通过的电流是一样的，电路两端的总电压的瞬 时值等于各分电压的瞬时值之和，但总电压的有效值不等于各分电压有效值之和。如图4所示, 电压瞬时值与和2之间有位相差，总电压 =% + %与小和%不在同一时刻达到峰值，即u的 峰值必不等于5和%的峰值之和。因为有效值 正比于峰值,所以总电压的有效值必不等于各分 量的有效值之和。.浮力F=

6、p Vg在任何情况下都适用吗？例3如图5所示，天平是平衡的，放在天平两端托盘上的是两只盛水的杯 子，B端杯子中有一木块，木块用线拴着，线吊在杯底上，若把线剪断，则木块受到水 的浮力作用，开始匀加速上升，此时答案为（）。A.天平仍保持平衡B.A端升起C.B端升起D.无法判断此题中认为木块受到水的浮力作用，开始匀加速上升，这是不准确的。首先,当木块相对于水运动时，应考虑流体动力学，对于稳定流动的理想流体，沿一流线各点的压强、速度和高度三者的关系为:P +/ + pgh =恒量0其次，假定木块匀加速向上运动成立，则同体积的水匀加速向下运动，它们的加速度大小应相等，类似阿特武德机。它们的加速度大小不可

7、能大于重力加速度。若按照浮力F=pVg,木块作为加速P FP 拿0口 = *P京（彳运动，则p Vg-mg= ma,P尉，只要取上 ,有ag,这是不可能的。.“跳环”实验能用中学物理中的电磁感应现象解析清楚吗?例4 “跳环”实验装置如图6所示。将条形铁辗竖直（磨光面向上）放在U形铁芯的一个立柱上， 套上线圈及铝环。把线圈 01600匝的两端接220伏特交流电 源。演示时，接通电源，铝环立即跳起，并可悬浮在铁辗上。图6笔者曾在听课中发现有教师对实验作这样的解释：由于铝环中产生感应电流的磁场与通电线圈磁场方向相反，所以两者相互排斥这样的解释是模糊的0对本实验的解释必须 考虑到感应电流的位相问题,如

8、图7所示，设通 过线圈的电流为U在铝环中产生的感生电动 势为加，根据楞次定律，每比L的位相落后仃/2, 由于铝环存在自感L和电阻入所以铝环中的电流 i2与巧工存在位相差小为简单起见，设中-宜/4 ,则 G比落后宣4因此也比%落后于十年二苧,匕及i工随变化的曲线如图8所示口下面从该围 出发分析铝环所受的磁场力口把一个周期划分为4N、BC,CD及DE四个时间段。/!/?时间段内“和i2方向相反相互排斥津。时间段内和白方向相 同相互吸引；C。时间段内匕和。方向相反相汇 排斥;QE时间段内L和。方向相同相互吸弓L 由于AB、CD大于BC、DE, 一个周期内的平均力是 相斥的5,是“单摆”还是“复摆”？

9、例5 一个半径为r的空心金属球壳内充满水后，用一根长为L的轻质细绳悬挂起来，形成一个单摆，如图 9所示，若在摆动过程中，球壳内的水从球壳底端的小孔 缓缓泄漏，则此摆周期为（摆角小于 5。）（）。0图9,十七田日匚国甘壬国甘、山二2y呼A.由于摆球质量与周期无关，可知周期不变，为 gB.由于摆长不断增大，可知周期由兀不断增大C.由于摆长不断变化，可知周期由兀先逐渐增大，后又减小，最后为 打D.由于水泄漏引起摆球速度变化，所以周期变化情况无法可知命题者认为水从球壳底端的小孔缓缓泄漏的过程中，相当于摆球的重心先下降后上升到原位置，相当于单摆的摆长先增大后减小到原长，故选G显然，命题者把“单摆”和“复

10、摆”混在一起，考虑到摆球的大小，有时不能简单地将它作为单摆处理。6.这些数据合理吗?图10例6如图】0所示，带电 域为明二-0.3C的小球4静 止在高为& =0. 8m的光滑平 台上，带电域为备工+U.3C的 小球用长为L = lm的细线 悬挂在平台上方，两球质量m4= m,=0.5kgo整个装置放在竖直向下的匀强电场中，场强大小E = 10N/Cq现将细线拉升角度O二60。后，由潴止释放球，在最低点与4球发生对心碰博,碰撞时无机械能损失，且碰撞后A I两 球电荷均为零,不计空气阻力，取g=10m/九 求: A球高开平台后的水平位移大小。笔者认为t小球4淖带电址为n = -0.3C, q.=

11、+0,3C,这是不可能的口我们知道在标准大气压下，当电场强度达到3xl(rv/m时，空气将电离而成为导体.当一个导体球所带电一址大到其表面附近电场强度足以使周围空气电离时，洋体球上的电卮即不能再增加，因此就引出一个导体 球所能带的电显的上限问题.一个半径二1cm 的孤立金属球，在一个标准大气压下，当电场强度 达到最大=3 x 1 O&V/m时，由库仑定律，容易求得其所能带的电域最多为QzJ/k 二 %紧需9 =3. 3x10 Tj因此，上述小球儿H的带电盘是不可能的力二、错误的原因分析及避免错误的对策从以上列举的常见科学性错误的实例分析来看，产生错误的原因是多方面的， 现归纳如下。.不合理的外

12、推导致的错误外推在中学物理习题教学中有一定的作用。例如，“人船模型” “子弹穿木 块模型”，就是利用人在静止的船上前进，船则后退以及子弹穿木块问题中得到的一些 结论外推到情境相同的问题中，使问题化繁为简，化难为易。但是外推时，必须注意要 合理外推，否则将出错。在学生中，不合理的外推常常表现在乱使用物理模型、乱套公 式。在教师中不合理的外推就会在习题编制中出错，误导学生。例如，我们知道沿不可 伸长的杆的方向的速度是相等的，不能随意外推到沿不可伸长的杆的方向的加速度是相 等；在直流电路中，串联电路的总电压等于分电压之和；在交流电路中，总电压不一定 等于分电压之和；纯电阻电路总电压等于分电压之和，电

13、阻和电感或电容串联时，总电 压的瞬时值等于分电压的瞬时值之和，而有效值就不等于分电压有效值之和。.物理规律适用范围变化导致错误任何物理规律都是在一定条件下才适用的。例如，公式F=pVg只适用于流体静力学。只有在规律适用的范围内才可运用，牛顿定律只有在宏观、低速和惯性系中 才适用，在微观高速的范围内，必须用相对论的观点解决问题。.物理模型错误为了解决实际问题，往往从实际物理情境中抽象出物理模型，中学物理中都 是理想化模型，例如单摆就是理想化的物理模型，如果把实际摆当作单摆，则摆球就应 当作质点处理；如果实际摆不能当作单摆，则只能用复摆来处理。能否当作理想化模型 也是有条件的，例如弹性的水平面也是

14、理想化模型，对宏观的小球来说是弹性的水平面，对微观的离子来说则不能抽象为弹性的平面。小球在粗糙斜面上的运动就不能把小球当作质点，因为小球在斜面上的运动是滚动的。.对实际问题的解释不全面导致错误中学物理就内容来说是简单的， 通过学习可以解释有些自然现象、 实验现象, 但是实际问题往往较复杂， 有的现象的解释需要的知识面较广，我们可以让学生知道现象，课堂上不能解释的要明确告诉学生，可以让学生进行探究学习，但不能用简单的原 理应付学生，如上述的“跳环”实验。.脱离实际引起的错误物理学是一门实验科学，是理论和实验高度结合的精确科学。物理实验或练 习题的内容、数据等等都应当是符合实际的，编制习题时必须考虑数据的