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1、建立合理的人体模型 正确分析能量转化的问题陶昌宏 孙际芳(北京教科院基教研中心 北京 100031) (首都师范大学 北京 100037)人在运动和劳作的过程中,要消耗人体的化学能,如人跳高,做引体向上,人拉船等等.如何从做功的角度分析人体化学能向机械能的转化过程,是物理教学中的一个实际问题.因为这些过程学生很熟悉并有亲身体验.利用学生的经验,从实际问题中抽象出合理的物理模型,就能根据所学物理知识进行正确的解释.目前中学使用的课标教材、 大纲教材、 教学参考书、 高考试题中常出现以人体进行各种运动为素材的实际问题,但遗憾的是书中都没有能够根据实际过程抽象出合理的物理模型,因此也就不能对实际过程
2、中能量转化的情况做出正确的分析和解释.而且,一些模型和对能量转化过程的分析甚至出现错误.现根据笔者的理解,对人做功实现化学能向自身机械能的转化过程提出相应的物理模型,并对过程进行分析.1 对一个典型问题的模糊、 错误解释及其质疑以人体进行各种活动为素材的实际问题中,如图1果不能根据实际过程抽象出合理的人体模型,对人体化学能向自身机械能的转化过程就会出现种种模糊的以至发生错误的分析和解释.【例1】 如图1所示的装置,人用力拉绳沿绳向上运动.人向上运动的过程中消耗人体的化学能,而机械能增加.试从做功的角度分析人体化学能向机械能的转化过程.说明人体的化学能向自身机械能的转化是如何实现的?【模糊的解释
3、】 人用力拉绳向上运动的过程中人做了功,实现了人体化学能向自身机械能的转化.质疑:在做功的过程中,谁做功消耗谁的能量,对谁做功为谁输入能量.“人做了功”的解释太模糊,因为这种解释没有说明人对谁做功,所以并没有对人体化学能向自身机械能的转化过程做出明确的回答.【错误的解释1】人用力拉绳向上运动的过程中,人对绳子做功,实现了人体化学能向自身机械能的转化.质疑1:人沿绳向上运动的过程中,人对绳施加向下的拉力作用,这个拉力对绳并不做功,因为拉力的作用并没有使绳沿拉力的方向发生位移.质疑2:假若人对绳子做了功,也应该是绳子的能量增加,并不能解释人体化学能向自身机械能的转化过程.【错误的解释2】人用力拉绳
4、向上运动的过程中,人对绳施加向下的拉力作用的同时,绳子对人施加向上的拉力作用,是绳对人向上的拉力对人做功,使人的机械能增加,实现人体化学能向自身机械能的转化.质疑1:人沿绳向上运动的过程中,人对绳施加向下拉力作用的同时,确实绳对人施加向上的拉力作用,但绳对人的拉力对人不做功,因为此处的绳子不具备对人做功的本领.一个物体对其他物体做功的过程要消耗自身的能量,绳子对人做功,消耗绳子什么能量,这无法解释.质疑2:假若绳对人做功,只能解释绳的能量向人体机械能的转化过程,并不能解释人体化学能向自身机械能的转化过程.2 建立合理的人体模型,分析能量转化的过程出现以上种种模糊和错误的分析和解释,其根本原因是
5、没有能够建立合理的人体模型.在上述实际过程中合理的人体模型是怎样的呢?2.1 合理的人体模型人用力拉绳向上运动的过程中,要解释人体化学能向自身机械能的转化过程,就不能将人体视为一个质点或一个刚体.而需将人体看成是既有联系又可分开的两部分:一部分是人的手臂,可以看作是质点间位置可变,类似于 “可伸缩弹簧” 构成的质点组;另一部分是人体的其他部分,可以看作是刚体.112008年第3期 物理通报 课程改革探索“弹簧” 的 “势能” 就来源于人体的化学能.建立正确的人体模型之后,我们不仅可以运用质点系动能定理对能量转化的过程进行正确的分析,而且能够运用高中生熟悉的动能定理进行分析.2.2 能量转化的过
6、程质点系动能定理的内容:一切外力对质点系做的功与一切内力对质点系做的功之和等于质点系总动能的增量.数学表达式为Wex+ Win=6ni=1Eki-6ni=1Eki0式中Wex是一切外力对质点系做的功, Win是一切内力对质点系做的功.6ni=1Eki是质点系内n个质点的末动能之和,6ni=1Eki0是质点系内n个质点的初动能之和.根据上述人体模型,运用质点系动能定理进行如下分析:人用力拉绳向上运动的过程中,所受外力分别为重力、 绳对手臂向上的作用力.绳对手臂的作用力对人不做功,因此外力对体系做的功即重力对人体做的总功.Wex= W重= -m总gh体系内力就是人的手臂对人体其他部分的作用力.体系
7、内力做的功Win写为W内,若人沿绳向上匀速运动,则人体总动能不变.根据质点系动能定理W重+ W内=0-m总gh + W内=0W内= m总gh上式表明体系内力做功,即人的手臂对人体其他部分做功,消耗人体的化学能,转化为人体的机械能.由于中学阶段不介绍质点系动能定理,通过建立合理的人体模型就能够对能量转化的过程进行正确的分析.按照前面将人体分为手臂和人体其他部分的模型,人用力拉绳向上运动的过程中,人对绳施加向下的拉力,同时绳对人施加向上的拉力作用.绳对人向上的拉力对人不做功,而是起到固定人手的作用.人体上升靠的是手臂对人体施加向上的作用力,人体手臂对人体的作用力对人体做功,消耗的化学能使人体的机械
8、能增加,即人的手臂对人体做功实现人体的化学能向自身机械能的转化.这样的解释高中生可以理解和接受.3 运用合理的人体模型,对一类典型题目的分析【例2】2006年全国高考物理试题第20题.一质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳,经t时间,身体伸直并刚好离开地面,速度为v.在此过程中,A.地面对他的冲量为mv + mgt ,地面对他做的功为mv2B.地面对他的冲量为mv + mgt ,地面对他做的功为零C.地面对他的冲量为mv ,地面对他做的功为mv2D.地面对他的冲量为mv -mgt ,地面对他做的功为零运用动量定理可以确定在此过程中地面对人的冲量大小为mv + mgt.解决此题的关键是判断地面对人
9、是否做功.人在起跳的过程中地面对人始终有力的作用,但地面对人不做功,因为地面没有对人做功的本领.地面对人的作用力起到支撑人脚的作用.地面对人不做功,那么人体向上运动的机械能从何而来呢?【定量分析】 运用质点系动能定理,人在起跳过程中,人所受到的外力分别为重力、 地面对人的支持力.地面对人的支持力对人不做功,因此外力对人体做的功即重力对人体做的总功W重= -mgh( h为人体重心上升的高度) .体系内力为人的腿部与人体其他部分的作用力.人在起跳过程中,人体内力做的功为W内.人在起跳过程中增加的动能为1 2mv2.根据质点系动能定理W重+ W内=1 2mv2-0-mgh + W内=1 2mv2-0
10、W内= mgh +1 2mv2上式表明人体内力做功,消耗人体的化学能转化为人体的机械能.【定性分析】 人在起跳的过程中,将人体看成人212008年第3期 物理通报 课程改革探索的腿部与人体其他部分.人在起跳的过程中,即在t时间内,人的腿部可以看作是 “压缩弹簧” 对人体施加力的作用,在这个力的作用下,使人体向上做加速运动.人的腿部对人体其他部分做功,实现人体的化学能向自身机械能的转化.本题正确选项为B.【例3】 如图2所示,一个质量为M的人站在A船上,用水平恒力F拉拴在B船上的轻绳(忽略水对船的阻力) .经一段时间后,使两只船的动能增加.图2(1)试从做功的角度分析此过程能量转化的情况.(2)
11、如果两船的质量均为m ,在人拉船的过程中,当A、B两船发生的位移分别为s1、s2时,两船获得的速度大小分别为v1和v2.试确定此过程中人所做的功.(3)将图2所示与图3所示(人站在岸上用水平恒力F拉B船,使B船的位移为s2)和图4所示(人站在A船上用水平恒力F拉岸上的轻绳,使A船的位移为s1)的情景中人做功的情况进行比较.图3图4【解析1】(1)运用质点系动能定理以人、A船和B船为研究对象,人在拉船的过程中,体系不受外力的作用.人体内力做功,使体系动能增加.人体内力做功实现人体的化学能转化为体系的机械能.(2)运用质点动能定理以B船为研究对象,人对B船做功,消耗人的化学能,使B船的动能增加.人
12、在拉船的过程中把人体和A船看成是一个整体.人拉绳子的同时,绳子拉人,绳子对手臂的拉力起到固定人手的作用,人的手臂对人体施加力的作用,这个力的大小仍为F,人的手臂对人体的作用力对人体和A船做功使人和A船的动能增加.【解析2】(1)运用质点系动能定理以人、A船和B船为研究对象,人在拉船的过程中,体系不受外力作用.人体内力做功W内= Fs2+Fs1.人拉船使两船获得的速度分别为v1和v2时,体系增加的动能为1 2mv22+1 2( m + M) v12根据质点系动能定理Wex+ Win=6ni=1Eki-6ni=1Eki0得到 Fs2+ Fs1=1 2mv22+1 2( m + M) v12(2)建
13、立合理的人体模型,运用质点动能定理看B船:人对B船做功为Fs2,使B船的动能增加为1 2mv22,根据质点动能定理Fs2=1 2mv22-0看人体和A船:如上(2)的分析,人的手臂对人体施加力的作用,这个力的大小仍为F,人的手臂对人体的作用力对人体和A船做功为Fs1,使人和A船的动能增加为1 2( m + M) v12,根据质点动能定理Fs1=1 2( m + M) v12-0所以人做的总功为Fs1+ Fs2,增加的动能为1 2mv22+1 2( m + M) v12即人做功消耗人体的化学能,转变为B船、 人和A船增加的动能之和.【解析3】 人站在岸上用水平恒力F拉B船上的轻绳(忽略水对船的阻
14、力) ,人的拉力F对B船做功,其值为Fs2.人站在A船上用水平恒力F拉岸上的轻绳(忽312008年第3期 物理通报 课程改革探索对中学物理课程改革整合的思考和建议何永健 吴森茂(永昌县第一高级中学 甘肃 永昌 737200)当今世界科技发展迅速,信息网络化,经济全球化,对国民的整体素质要求越来越高.世界科技的竞争,综合国力的竞争,归根到底,就是人才的竞争,教育的竞争.而我国的教育现状又如何呢?我国属发展中国家,人口众多,经济基础比较薄弱.自20世纪80年代以来,教育投入虽跟过去相比有很大增加,但和发达国家相比还存在很大差距,致使高等教育专业设置结构单一,课程老化、 过于陈旧,缺乏对 “复合型”
15、 人才的培养,科技发明转化为生产力的能力很低.中、 小学教育因长期受 “应试教育” 的影响,只重视基础知识教育,片面追求升学率,忽视学生动手操作能力、 创新能力的培养,学生的个性特长得不到张扬和发展,学生变成了一种被动学习的机器,出现了不少大学生找不到合适的工作或有些工作又不愿意去做,而需要一定技术的技工岗位却供不应求.这说明我国高等教育的课程设置、 专业结构、 人才培养理念等已很难适应社会经济的发展,各类人才的培养比例严重失调.中、 小学教育也存在诸多弊端,教育理念、 教育方法都与世界发达国家存在着很大差距,都亟待调整改革.下面笔者结合自己多年的物理教学实践,及所在学校课程改革的实施情况谈点
16、不成熟的看法.1 国外先进经验与中国的国情实际相结合我国具有两千多年的优秀历史文化,传统教育经过多年的探索发展,有其成功的地方.特别是重视“双基” 教育,更应该继续保持;基础是培养学生一切能力的前提和保证.我们应该在夯实基础的前提下,在教材的编排中,适当借鉴世界发达国家的先进经验,渗透设计一些有学生自主进行的探究性活动,培养发散思维能力的问题思考,培养合作精神的讨论活动等栏目.安排一些学生通过努力,利用在生活实际中能够寻找的简单材料就能完成的小实验、 小制作,补充一些有关中学生利用所学知识解决实际问题搞发明创造的事迹材料.现行高中物理新课程标准(人教版)已在这些方面做了许多有益地尝试,很受大家的欢迎.习题中补充一定量的要求学生必须通过查资料、 做实验、 做社会调查等多种途径才能完成的题目,重视学习过程、 学习方法的训练,适当编排一些与科技发展联系紧密的科普知识
