基于物理量的高中物理复习

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  高中物理复习一般都是按照章节依次学习的,也或者是按照力、热、电、磁、原子这几大部分组织复习的,当然这种形式可以让学生很好的掌握和学习知识.
  其实我们也可以突破传统的思维习惯,通过以一些重要的物理量为纲,来把中学所学的物理知识串起来,这样有利于学生对中学物理内容进行系统复习,学生对整个中学物理知识也有一个清晰的图像,也可以加深学生对知识的理解和灵活应用,更能培养学生的思维能力和习惯.而对于物理规律,其实就是这些物理量之间的联系而已,如通过导体截面电量的计算、加速度的计算、物体质量的测量、功的计算等.
  下面我就以物理量“质量”为中心来谈谈怎样组织高中物理的复习.我们知道质量在高中物理中是一个很重要的物理量,当然随着科技的不断发展,测量手段也由简单、低级、粗略,发展到复杂、高级、精确.对于高中阶段,物体质量的测量方法一般有九种之多,当把这些方法与学生一起复习时,也是对高中物理知识的一次很好的归纳和总结.下面作分别叙述.
  方法一:用天平测物体的质量
  仪器:物理天平.
  原理:天平是等臂杠杆,天平平衡时,两边重力相等,地球上同一纬度的地方,两个等重的物体由于重力加速度相等,所以它们的质量也相等,砝码质量的读数即为被测物体的质量数.
  方法二:根据牛顿第二定律F=ma测物体的质量
  仪器:探究牛顿第二定律的整套仪器.
  原理:牛顿第二定律F=ma,变形得到m=,利用这个公式就可以求物体的质量.注意F是物体所受的合外力,加速度a可以直接通过实验算出.
  其实1996年科学家曾在地球上空完成了以牛顿第二定律为基础的测定物体质量的实验,实验时用双子星号宇宙飞船m1,去接触正在轨道上运行的火箭组m2(发动机已熄火),接触后,开动飞船尾部的推进器,使飞船和火箭组共同加速,而推进器平均推力F已知,推进器开动的时间t已知,同时也测得飞船和火箭组的速度的变化,对于飞船的质量m1也是已知的,这样就可以求得火箭组m2的质量了.
  方法三:利用物体间的碰撞,根据动量守恒定律测算物体的质量
  仪器:气垫导轨、滑块、气源、光电计时器等.
  原理:物体之间的碰撞可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种,但这两种碰撞动量都守恒.
  用m1和m2分别表示两个物体(小球或滑块等)的质量,碰撞前的速度分别为v1和 v2,碰撞后的速度分别为v1′和v2′,依据动量守恒定律: m1v1+m2v2= m1v1′+m2v2′
  得到:=
  如果测得v1、v2、v1′、v2′,利用上式就可以求得两物体的质量比,若知道其中一个物体的质量,则另一物体的质量就可以计算了.
  这种方法不但可以用于低速宏观物体的质量的测定,还可以用来测定微观粒子的质量.如原子物理中有关粒子的碰撞,及原子核的裂变等,当然所用的仪器也不同,重点是让学生掌握这种测量的思想方法.
  方法四:用弹簧秤和单摆测物体的质量
  原理:胡克定律和单摆的周期的公式.
  胡克定律是弹簧秤制作的原理,利用弹簧秤可以测出物体的重量G.根据单摆的周期公式可以测得当地的重力加速度g=,式中l为单摆的摆长,可以用刻度尺直接测出,T为单摆的周期,可以用秒表测出.
  利用公式G=mg可知g==,式中m即为要测物体的质量.
  方法五:运用万有引力定律测物体的质量
  原理:设太阳的质量为M,某颗绕其运行的星体质量为m,轨道半径为r,行星绕太阳公转的周期为T, 依万有引力定律有太阳与行星的引力大小为F引=,这个引力就是行星绕太阳作圆周运动所需的向心力.所以=m2r=m()2r,由上式可得太阳的质量M=,式中G为万有引力常数.
  利用这个式子或这种方法可以计算其他天体的质量,只要这个所求的天体是中心天体就可以了.如要测地球的质量,那么式中r为月球绕地球运动的轨道半径,T为月球绕地球运动的周期.
  方法六:利用“电流天平”测物体的质量
  仪器:电流天平、安培表、学生电源等.
  应用通电导线在磁场中受力的原理,可以制成灵敏的电流天平.用电流天平可以测出物体的质量(如图1).
  先调节天平使天平两端平衡,通电线框中通过的电流为I,B为通电导线所处位置的磁场,ab的长度为L,所以ab 导体受到的安培力为F=BIL,当天平再次平衡时,有mg=BIL,所以m=.
  方法七:利用匀强电场测带电粒子的质量
  原理:如图2,带电粒子在电场中受到的电场力大小为F=qE=q,式中q为粒子所带的电量,U为加在两块大小相等且平行的金属板间的电压,d为两板间的距离,设粒子的质量为m,调节电压U,使粒子静止在电场中,即重力与电场力平衡.有mg=q,则粒子的质量m=,式中g为重力加速度.
  如将固体微粒改为喷入的油滴,此实验即为密立根油滴实验,学生应该掌握该实验的物理思想方法.
  方法八:利用电场和磁场(质谱仪)测带电粒子的质量
  如图3所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置的示意图.速度选择器(也称滤速器)中场强E的方向竖直向下,磁感应强度B1的方向垂直纸面向里,分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外.
  设粒子的质量为m,带电量为q,在加速电场中被加速,以速度v 进入电场强度为E和磁感应强度为B1的速度选择器中,调节电场强度E和磁感应强度为B1,使粒子在电磁场中受到的电场力和磁场力平衡,即qE=qvB1,所以v=,只有速度为v=带电粒子才能做匀速直线运动通过s上的狭缝,带电粒子以速度为v进入磁感应强度为B2的匀强磁场中,粒子受到磁场力(洛仑兹力),做圆周运动,有qvB2=m,所以m=,将v=代入得m=
  方法九:物质分子质量的测定
  原理:利用油膜法测定分子的大小,将分子看成球形,则可以算出每个分子的体积,在知道摩尔体积的条件下,则可以求出每摩尔物质的分子数,即阿佛伽德罗常数, N=,当知道一摩尔物体质量的条件下,则可以计算出每一个分子的质量m=.
  上面所说的物体质量测量的常用九种方法,有些是测量宏观物体的质量,有些是测量微观粒子的质量,有些是运用力学知识,有些是运用电学知识,有些用到原子物理等高中物理知识.当然还有一些测量物质质量的方法,如可以用克拉珀龙方程测定气体的质量、可以用“惯性秤”来测量,又如若月球的半径已知,在其上用一个弹簧秤和已知质量的砝码也可以测定月球的质量,等等.
  通过围绕“质量”这一物理量来引导学生进行复习,可以充分调动学生的学习积极性,也可以让学生在思考和归类中掌握了高中的物理知识脉络,也培养了学生的能力和习惯.对于物理中的其他一些问题,我们也可以采用这种方法来组织教学.
   责任编辑罗峰
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