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1、1图 1FNMgF图 2FNmgF1图 3人教版高中物理课本几幅插图探讨摘 要: 本文主要针对现行人教版高中物理课本若干插图，结合自身的教学实践进行了思考对其附带的简单结论，作出较为深入的讨论关键词: 高中物理插图探讨引言全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理（以下简称现行教材）几幅插图很值得我们思考，对它们的进一步讨论有助于我们更好的分析问题，提高解决问题的能力，现作一推敲。一、蛋碎瓦全？瓦碎蛋全？高一课本在学习动量定理时以绪言中图 0-1 “蛋碎瓦全？瓦碎蛋全？”实验作为一个具体应用动量定理的实例，如图 1 教师用铁锤迅速地砸到瓦片上，击碎了瓦片，并且铁锤速度在作用后为零。而放在海绵上
2、的 4 个鸡蛋安然无恙，我们称为“瓦碎蛋全” 。一般解释：由于铁锤和瓦之间作用时间很短，记作用时间为t(10 -2s 数量级)，对铁锤运用动量定理：p=Ft, F=p/t, 由于作用时间很短，故 F 很大，根据牛顿第三定律，瓦片受到的作用 与 F 等大反向，即 =-F， F也很大，对于瓦，在巨大的冲击力作用下碎了，这是“瓦碎”的原因。而鸡蛋由于放在海绵上，缓冲的时间很长，产生的力小，故鸡蛋安然无恙。这是“蛋全”的原因。砖块质量对实验有影响吗？而且对于鸡蛋，在这里有两个过程：打击和缓冲过程，在哪个过程容易碎呢？为了回答这些问题，本人对本实验进行了进一步思考：（一） 、打击过程：对瓦片，砖块，书本
3、，蛋组成的系统研究，质量为 M。受力分析如图 2 所示，系统受力包括重力 Mg,铁锤对系统作用力 ，以及海绵支持力FN（由于打击时间很短，海绵不发生形变） ，即 FN=Mg 由牛顿第二定律：Ma= +Mg-FN= ,系统加速度： a= MF对鸡蛋进行隔离，受力分析如图 3 所示，鸡蛋受到重力mg，海绵支持力 FN，系统其他物体对它的作用力为 F1，有：mag12图 5= mgMFg很明显在打击过程中（t 时间内） ，鸡蛋受到的作用力 是关于 M 的函数：形如1F（a0,c 0 均为常数） ，当 ， 时函数取最大值，即cxay xa时， 取最小值（图 4） ，由图象可知： 区gmFM01 0间上
4、 随 M 增加而减小；在 区间上随 M 的增加而增加。考1 0虑到实验中的 很大，故 区间， 是减函数。F,1F所以打击时若把质量较大的砖块换成木块的话，鸡蛋受到的作用力 将会增大，可能会使“蛋碎” ；在本实验中，为了保证“蛋全”1，在不直接压碎蛋的情况下适当多放砖！而且容易得到： 。F1（二） 、缓冲过程：设缓冲时间为 t（多次） ，明显tt，而系统的动量变化量大小和铁锤的动量变化量大小是相等的。令 ，缓冲过程中 减小，F N增大，平p1 1均作用力 。综上所述：在打击和缓冲过程中，鸡蛋的受力分别为tpF1F和 ，且 ， 又随 M 的增大而减小，所以打击过程蛋不碎的话就不会碎；在11允许的范
5、围内，砖的质量越大，蛋越不易碎。二、关于回旋加速器回旋加速器作为高考热点不断在各种参考资料上出现，但很多资料在画示意图时容易犯一个错误，把回旋加速器中的带电粒子的半径增量画成等间距。现行教材第二册第十六章第六节中关于回旋加速器的插图很标准，但没有说明为什么带电粒子半径增量引起的间距越来越小（如图 5 所示） ，使得引起误会。现作证明：在 极板的中间粒子源发出一个带正电的粒子，被极板缝隙间电场加速，加速A过程电场力对粒子所做的功为 W，从而以速率 v0垂直进入匀强磁场，以后每次由极板M0 MF1图 43图 6图 7图 8A 进入极板 或从 进入 A，电场力对带电粒子所作的功为 2W。由动能定理得
6、：W= m v02 - 0 (1)12 = m v12 - m v02W2 = m v22 - m v122 = m vn2 - m vn-12，1将以上各式相加整理得：V n = (2)W1由（1）式得：V 0 = 代入（2）式得：V n = V0 (3)m12带电粒子在磁场中作圆周运动，由洛仑兹力提供向心力可得： R = 。由于 m、q、B 为定值，所以 RV，根据（3）式得 Rn = （R 0为 V0对应q的半径）R = R n Rn-1=( - )R0 （4） 12n由（4）式可知：回旋加速器中的粒子半径增量R 不均匀，并随着粒子速度的增大而减小，且当 R时，R0。从以上的证明中可知，
7、当带电粒子的速度达到一定值时，粒子轨道几乎重合，这也便成了粒子的能量仅能达到 20MeV 的另一个理由了。三、关于电磁场方向与能量传播方向关系现行教材在电磁场一节中有一幅反映电磁场方向与能量传播方向关系（变化的电场产生磁场）的教学插图（图 6） 。我们知道变化的磁场产生的电场方向可以通过楞次定律来判断，那么变化的电场产生的磁场方向怎样判断？4图 9图 10图 11 图 12众所周知，电磁场是一个统一体，在电磁波传播的同时伴随着能量的传播。根据玻印亭矢量（能流密度矢量）与电磁场的关系 S = E*H=1/u0)E*B 就可以知道空间某一点的能流密度矢量的方向与该点的电场、磁场方向成右手螺旋系。因
8、此，在已知 S、E、B 三矢量中任二者的方(向时，就能判断出另一矢量的方向。在一般电路中我们可以很容易地判断出能流密度矢量 S 的方向。 （如图 7）在一般的简单电路中，电路周围的电场方向如图 8 所示，根据电流的方向可以很容易得到电路周围磁场的方向，然后就可以根据上述关系判断出能流密度矢量的方向（如图 9 所示） 。即能量传播的方向：能量从电源传出，几乎是平行地沿着电路传播，很少被低电阻的导线所吸收，而最后汇聚到了消耗电能的电阻上，这与实际的情况是相符的，也说明了在电路中，能量实际上是通过电磁场来传播的。然后我们再回到图 6，从电流和电场方向可知正在给电容器充电，两极板间的电场正在加强，即电
9、场能正在增大，由此可知电场周围的能流密度矢量 S 的方向是指向电场内部的，正如图 9 中的电阻一样。这样就可以根据上述的 S、E、B 三矢量方向的关系推出电场周围的磁场方向应该是逆时针方向的（从上方俯视） ，如图 10 所示。因此课本上的插图（如图 6）中的磁场方向是错误的。 （同样可以分析得到：电容器在放电时的电场和磁场方向）四、关于光干涉图样与水波干涉图样的关系现行教材第三册第二十章第一节关于光的双缝干涉图样有一插图（如图 11 所示）与第二册第十章第六节关于水波的干涉图样的插图（如图 12 所示）相比，同样是干涉图样，干涉的原理相同，但为什么形状却截然不同？是否有矛盾？自然引起我们的思考
10、。水波是一种机械波，是介质中各质点的实体振动，它的全貌能在整个传播区域反映出来，所以其干涉图样反映的是水波在整个干涉区域的干涉现象。光波是一种电磁波，尽管双缝干涉现象也能出现在双缝后的整个区域，但如果不放光屏，其干涉现象根本观察不到，只有在双缝后面的某一位置放上光屏时，才能在光屏上观察到光的干涉图样，所以我们看到的光的干涉图样只反映了整个区域的某一截面的干涉现象。如果在光的干涉区域的许多位置放上许多光屏，获得不同位置的干涉图样，然后5图 13图 14用一水平面去截它们，可以想象这张无法获得的光的干涉图样将和水波的干涉图样相同。五、关于利用光的干涉检查平面的平整程度 现行教材第三册第二十章第一节
11、关于利用光的干涉检查平面的平整程度的干涉条纹有一插图（如图 13 所示） ，同时有一段描述：如果干涉条纹发生弯曲，就表明被测平面不平，那么被检查平面究竟是凹是凸？又怎样判别呢？设有三束同一单色光 1、2、3 入射到如图 14 所示（薄片 垫在右边）的劈面，在样板的下表面和被检查平面的上表面发生 反射，上表面的反射光线和下表面的反射光线的光程差 S 如满 足：S = 2n 出现亮条纹 2S = （2n+1） 出现暗条纹且同一干涉条纹对应同一劈面厚度，即同一空气层厚度（如图 14 所示干涉条纹A、B、C 对应光线 1、2、3 入射处的空气厚度） 。现在 B 条纹出现向左边弯曲（如 D 位置） ，说
12、明 2 光线产生干涉条纹 B 需要的光程差在较薄的空气层出现，即 D 条纹处所需的光程差不够 B 条纹所要求的，所以被检查平面只有向下凹才能增大光程差，满足 B条纹所需要的光程差，所以 D 处所对应的被检查平面下凹。同理推断：D 部分向右弯曲，对应的被检查平面向上凸。如果薄片垫在左边，那么当出现如图 13 所示的干涉条纹时，可说明被检查的平面有向上凸起的地方。六、反射所引起的自然光偏振现行教材第三册第二十章第四节，有插图（图 15）所示来反映由于反射而引起的自然光的偏振。并有文字说明：自然光射到两种介质的界面上，如果光的入射方向合适，使反射光和入射光之间的夹角正好是 90 ，这时反射光和折射光
13、都是偏振的，并且偏振方向相互垂直。是否是这样呢？自然光的电矢量可以分为 s,p 分量，s 为与入射面垂直方向，p 为与入射面平行方向，当自然光入射到界面上时，记两种介61i2i质的折射率分别为 ， ，用 ， ， 表示此时 s,p 分量的振幅，的反射率为 ，1n21E2 sr，透射率为 ， 。prpts )tan(cos212121 iiinEp )i(cs12211irs)in(o2211Etss2121cosiitp且有 ， 。如果 ，即入射角等于布儒斯特角时，trstrBi1，代入折射定律，即有： ，此时 ，由于Biio902 12tani )tan(21irp， 趋于无穷大而使 = 0，
14、很明显，反射光当中已经没有 p 分量21i)tan(21ipr只有 s 分量，是线偏振光； 代入 表达式， 。Bi1st Bss iiEt 22112 sn)n(co由于， ， 代入 ,因为 ，in20BBi1 Bp iiint sco2121 o45i所以 。透射光即折射光既有 p 分量，又有 s 分量，是部分偏振光，只是比较接近1pt偏振光，但不是线偏振光，课本上的描述欠妥当。课本中所谓入射角合适，入射光与折射光成 ，意为入射角 为布儒斯特角。o901i以上这些只是本人对几幅插图的看法，水平有限。希望和大家交流探讨，更加有效地理解教材，挖掘教材，促进教学。参考文献71 张雪屏. “磁场”一章中两个问题的讨论. 教学通讯1984 年第 4 期2 全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理第一、二、三册人民教育出版社物理室3 赵凯华 陈熙谋 电磁学下册 高等教育出版社4 赵凯华 钟锡华 光学上册北京大学出版社5 励箭生 折射光是偏振光吗？ 物理教学2005 年第 9 期
