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1、在习题研究中培养高中物理教在习题研究中培养高中物理教师的创新能力师的创新能力 对于怎样培养中学生的创新能力的问题，很多物理教师都在不断的实践中进行思考，这方面的学说论文有很多要培养学生的创新能力，教师自己就必须具有创新意识，教师自己如何成为创新型教师对培养学生的创新能力至关重要无论是对学生还是对教师，创新能力的培养可以从许多方面进行，习题研究能力是高中物理教师教学能力的重要组成部分，本文就“在习题研究中培养高中物理教师的创新能力”谈谈自己的观点 1从不同角度对习题进行研究从不同角度对习题进行研究 1. 1 习题解答的不完备带来的思考习题解答的不完备带来的思考 由于种种原因，给出的习题解答并不完
2、备，这会引发对习题的进一步思考，从而产生新的思想，新的方法，这本身就是一种创新，下面列举一例说明。例例1 1在科技馆中常看到这样的表演：在科技馆中常看到这样的表演：一根长一根长1m1m左右的空心铝管竖直放置把左右的空心铝管竖直放置把一枚磁性很强的小圆柱型永磁体从铝管一枚磁性很强的小圆柱型永磁体从铝管上端放入管口上端放入管口( (见图甲），圆柱直径略小见图甲），圆柱直径略小于铝管的内径。根据一般经验，小圆柱于铝管的内径。根据一般经验，小圆柱自由落下自由落下1m1m左右的时间不会超过左右的时间不会超过0.5s0.5s，但把小圆柱，但把小圆柱从上端管口放入管中后，过了许久它才从铝管下端从上端管口放入
3、管中后，过了许久它才从铝管下端落出。小圆柱在管内运动时，没有感觉到它跟铝管落出。小圆柱在管内运动时，没有感觉到它跟铝管内壁发生摩擦，把小圆柱靠着铝管，也不见它们相内壁发生摩擦，把小圆柱靠着铝管，也不见它们相互吸引。是什么原因使小圆柱在铝管中缓慢下落呢互吸引。是什么原因使小圆柱在铝管中缓慢下落呢？如果换用一条有裂缝的铝管（见图乙），圆柱在？如果换用一条有裂缝的铝管（见图乙），圆柱在铝管中的下落就变快了，这又是为什么？铝管中的下落就变快了，这又是为什么？通常的参考资料提供的答案是：“在磁性很强的小圆片下落的过程中，没有缺口的铝管中的磁通量发生变化（小圆片上方铝管的磁通量减小，下方铝管的磁通量增大）
4、，所以铝管中将产生感应电流，感应电流的磁场将对下落的小圆片产生阻力作用，小圆片在铝管中缓慢下落；如果小圆片在有缺口的铝管中下落，尽管铝管中也会产生感应电流，感应电流的磁场将对下落的小圆片也产生阻力，但这时的阻力非常小，所以小圆片在铝管中下落得比较快。”（1）对参考答案的思考怎样理解怎样理解“ “小圆片上方铝管的磁通量减小，下方铝管小圆片上方铝管的磁通量减小，下方铝管的磁通量增大的磁通量增大” ”。管子相对于磁体足够长时，磁体下。管子相对于磁体足够长时，磁体下落到管子一定深度后，小圆片上、下方铝管的磁通落到管子一定深度后，小圆片上、下方铝管的磁通量都可以视为不变，但实验现象可以证实磁体先作量都可
5、以视为不变，但实验现象可以证实磁体先作加速运动，当速度达到一定值后，一直作匀速直线加速运动，当速度达到一定值后，一直作匀速直线运动。此外，在没有缺口的铝管和有缺口的铝管中，运动。此外，在没有缺口的铝管和有缺口的铝管中，磁体下落过程管内的感应电流是如何分布的还不清磁体下落过程管内的感应电流是如何分布的还不清楚，由此可见对于这个实验现象的解释还要作进一楚，由此可见对于这个实验现象的解释还要作进一步的研究，以下介绍本人对于这个实验现象的研究。步的研究，以下介绍本人对于这个实验现象的研究。（2）对实验的研究 将长度将长度1.60m1.60m，内径，内径12mm12mm，外径外径15mm15mm的紫铜管
6、竖直放置，的紫铜管竖直放置，用钕铁硼材料制成的圆柱形磁极用钕铁硼材料制成的圆柱形磁极在轴向分布的磁体（直径在轴向分布的磁体（直径10mm10mm，高度，高度60mm60mm）从管内无初速释）从管内无初速释放，大约经过放，大约经过8s8s磁体才从管的下磁体才从管的下端落出。端落出。 将管子自上而下看成许多个将管子自上而下看成许多个线圈，若将磁体看成不动，线圈相对于磁体向上运动，线圈，若将磁体看成不动，线圈相对于磁体向上运动，由于存在磁感应强度沿半径方向的分量，线圈在做切割磁由于存在磁感应强度沿半径方向的分量，线圈在做切割磁感线运动，由右手定则可以得出，磁铁上下管子中的涡流感线运动，由右手定则可以
7、得出，磁铁上下管子中的涡流方向相反。磁铁上面部分管中的涡流相当于上面是方向相反。磁铁上面部分管中的涡流相当于上面是N N级，级，下面是下面是S S级的磁体；磁铁下面部分管中的涡流相当于上面级的磁体；磁铁下面部分管中的涡流相当于上面是是S S级，下面是级，下面是N N级的磁体，具体解释见上图级的磁体，具体解释见上图 管子靠近磁极附近的涡流较强，离磁极较远的部分涡流很弱，管子靠近磁极附近的涡流对磁体的电磁力起主要作用。上下涡流反作用于磁极形成对运动磁体的阻力。 通过理论分析并进行估算得出收尾速度和实验情形是吻合的，用长度分别是1m、1.6m、2m、6m（在户外）的铝管做实验，磁铁在管中下落不到20
8、cm，手握直管的力就不再变化，说明此后磁铁做匀速运动。测量磁铁在管中的运动时间，得出磁铁匀速下落的速度都在20cm/s左右。（3 3）磁铁在有裂缝的铝管中下落较快的原因分析）磁铁在有裂缝的铝管中下落较快的原因分析 由于管子整体相对于磁体做切割磁由于管子整体相对于磁体做切割磁感线运动，关于磁体上下对称处的感线运动，关于磁体上下对称处的管子中的感应电动势大小相同、方管子中的感应电动势大小相同、方向相反，通过裂口处形成闭合回路向相反，通过裂口处形成闭合回路（如图所示）。由于裂口表面薄层（如图所示）。由于裂口表面薄层的电阻较大，磁铁与管子的相对速的电阻较大，磁铁与管子的相对速度较小时，感应电流较弱，所
9、以涡度较小时，感应电流较弱，所以涡流反作用于磁极的电磁力较弱。要流反作用于磁极的电磁力较弱。要使涡流反作用于磁极的电磁力等于使涡流反作用于磁极的电磁力等于磁铁的重力，磁体必须以较快的速磁铁的重力，磁体必须以较快的速度下落。简单的说，就是回路的电度下落。简单的说，就是回路的电阻变大，要达到和无裂口的管子相阻变大，要达到和无裂口的管子相同的涡流，必需要增大电动势，即同的涡流，必需要增大电动势，即增大管子与磁体的相对运动速度。增大管子与磁体的相对运动速度。（4）建议 对于磁极轴向分布的强磁体下落的现象解释用管子对于磁极轴向分布的强磁体下落的现象解释用管子切割磁感线为宜，用右手定则判定感应电流方向。进
10、切割磁感线为宜，用右手定则判定感应电流方向。进一步给出涡流分布，现象一目了然。一步给出涡流分布，现象一目了然。 自上而下，将没有缺口的铝管看成许多个闭合的线自上而下，将没有缺口的铝管看成许多个闭合的线圈，在磁性很强的小圆片下落的过程中，小圆片上方圈，在磁性很强的小圆片下落的过程中，小圆片上方每个线圈的磁通量减小，下方每个线圈的磁通量增大，每个线圈的磁通量减小，下方每个线圈的磁通量增大，所以铝管中将产生感应电流，感应电流的磁场将对下所以铝管中将产生感应电流，感应电流的磁场将对下落的小圆片产生阻力作用，小圆片在铝管中缓慢下落；落的小圆片产生阻力作用，小圆片在铝管中缓慢下落； 管子有裂口时，关于磁体
11、上下对称选择回路（这样管子有裂口时，关于磁体上下对称选择回路（这样分析比较简单）。由于电流要经过缺口处，相对于无分析比较简单）。由于电流要经过缺口处，相对于无裂口的管子的电阻变大，相同电动势的情况下电流变裂口的管子的电阻变大，相同电动势的情况下电流变小。要达到和无裂口的管子相同的涡流，必需要增大小。要达到和无裂口的管子相同的涡流，必需要增大电动势，即增大管子与磁体的相对运动速度。电动势，即增大管子与磁体的相对运动速度。 （5）说明在探究在探究“ “强磁体在铜管（或铝管）中下落现象强磁体在铜管（或铝管）中下落现象” ”时，还发时，还发现了一个有趣的现象。用普通条形磁铁在空气中竖直下现了一个有趣的
12、现象。用普通条形磁铁在空气中竖直下落，下落高度在落，下落高度在2m2m左右，磁体始终处于竖直状态。但左右，磁体始终处于竖直状态。但用用“ “直径直径10mm10mm，高度，高度60mm”60mm”的磁极轴向分布的圆柱形钕的磁极轴向分布的圆柱形钕铁硼磁铁，在竖直状态无初速下落，发现下落铁硼磁铁，在竖直状态无初速下落，发现下落30cm30cm左左右磁铁就转了右磁铁就转了9090。若干次实验说明，每次旋转都是沿。若干次实验说明，每次旋转都是沿南北方向偏转。将磁体反复调整角度，在角度适当时能南北方向偏转。将磁体反复调整角度，在角度适当时能够发现磁体在下落过程中，一直处于平动状态。这说明够发现磁体在下落
13、过程中，一直处于平动状态。这说明地磁场对强磁体的磁力作用是比较明显的。这同时也提地磁场对强磁体的磁力作用是比较明显的。这同时也提供了一种测定地磁场方向的简单方法。这种现象可以作供了一种测定地磁场方向的简单方法。这种现象可以作为学生的探究实验，它的名字可以叫为学生的探究实验，它的名字可以叫“ “用落体法测定地用落体法测定地磁场的方向磁场的方向” ”。12 习题中的情景设置可能存在的习题中的情景设置可能存在的科学性问题而引发的思考科学性问题而引发的思考 这里的这里的“ “可能存在可能存在” ”是依据教师对问题的直觉判断而言是依据教师对问题的直觉判断而言的，这个判断存在着个体差异，这与教师在平时对的
14、，这个判断存在着个体差异，这与教师在平时对此类问题的认知程度和研究水平有关系教师通过此类问题的认知程度和研究水平有关系教师通过研究对情景设置中的科学性做出科学评判，而此类研究对情景设置中的科学性做出科学评判，而此类问题通常是没有现成答案的，这就需要教师付出创问题通常是没有现成答案的，这就需要教师付出创造性的劳动，这显然使得教师的创新能力得到提升造性的劳动，这显然使得教师的创新能力得到提升以下列举两例分别说明，一个例子用来说明通过以下列举两例分别说明，一个例子用来说明通过研究发现习题存在科学性问题，另一个例子是说明研究发现习题存在科学性问题，另一个例子是说明通过研究发现习题虽然不存在科学性问题，
15、但通过通过研究发现习题虽然不存在科学性问题，但通过研究对问题的认识更进了一步研究对问题的认识更进了一步 例例2 2滑板运动是一种陆地上的滑板运动是一种陆地上的“ “冲浪运动冲浪运动” ”，滑板运动员可在不，滑板运动员可在不同的滑坡上滑行，做出各种动作，给人以美的享受。如图是模拟同的滑坡上滑行，做出各种动作，给人以美的享受。如图是模拟的滑板组合滑行轨道，该轨道由足够长的斜直轨道、半径的滑板组合滑行轨道，该轨道由足够长的斜直轨道、半径R R1 1=1m=1m的凹形圆弧轨道和半径的凹形圆弧轨道和半径R R2 2=1.6m=1.6m的凸形圆弧轨道组成，这三部分轨的凸形圆弧轨道组成，这三部分轨道处于同一
16、竖直平面内且依次平滑连接，其中道处于同一竖直平面内且依次平滑连接，其中MM点为凹形圆弧轨道点为凹形圆弧轨道的最低点，的最低点，N N点为凸形圆弧轨道的最高点，凸形圆弧轨道的圆心点为凸形圆弧轨道的最高点，凸形圆弧轨道的圆心OO点与点与MM点处在同一水平面上，一质量为点处在同一水平面上，一质量为mm=1kg=1kg可看作质点的滑板，可看作质点的滑板，从斜直轨道上的从斜直轨道上的P P点无初速滑下，经过点无初速滑下，经过MM点滑向点滑向N N点，点，P P点距点距MM点所点所在水平面的高度在水平面的高度h h=1.8m=1.8m，不计一切阻力，不计一切阻力，g g取取10m/s2.10m/s2. （
17、1 1）滑板滑到）滑板滑到MM点时的速度多大？点时的速度多大？ （2 2）滑板滑到）滑板滑到MM点时，轨道对滑板的支持力多大？点时，轨道对滑板的支持力多大？ （3 3）改变滑板无初速下滑时距）改变滑板无初速下滑时距MM点所在水平面的高度点所在水平面的高度h h，用压力，用压力传感器测出滑板滑至传感器测出滑板滑至N N点时对轨道的压力大小点时对轨道的压力大小F FN N，试通过计算在方，试通过计算在方格纸上作出格纸上作出F FN N-h-h图象。图象。 这道试题的疑问在第这道试题的疑问在第3 3个小问，质点有没有可能以不同个小问，质点有没有可能以不同的速度滑到的速度滑到N N点。通过分析得出，质
18、点在凹形圆弧轨道点。通过分析得出，质点在凹形圆弧轨道与凸形圆弧轨道相切处以恰好不脱离圆轨道的速度运与凸形圆弧轨道相切处以恰好不脱离圆轨道的速度运动时根本不能到达动时根本不能到达N N点，若在相切点的速度增大时，它点，若在相切点的速度增大时，它将脱离凸形圆弧轨道，这道试题的第将脱离凸形圆弧轨道，这道试题的第3 3问在情景设置上问在情景设置上是有问题的。是有问题的。设球半径为设球半径为设球半径为设球半径为R R，物体与圆心的连线相对与竖直线的角度，物体与圆心的连线相对与竖直线的角度，物体与圆心的连线相对与竖直线的角度，物体与圆心的连线相对与竖直线的角度为为为为 。根据重力的径向分力提供向心力，求出
19、。根据重力的径向分力提供向心力，求出。根据重力的径向分力提供向心力，求出。根据重力的径向分力提供向心力，求出“ “临临临临界速度界速度界速度界速度” ” ； 给出物体在半圆柱上对应位置给出物体在半圆柱上对应位置给出物体在半圆柱上对应位置给出物体在半圆柱上对应位置的滑动速度的滑动速度的滑动速度的滑动速度v v 与与与与 的关系式；的关系式；的关系式；的关系式； 根据解不等式根据解不等式根据解不等式根据解不等式 或用图像求解，通常运用图像求解比较直观。或用图像求解，通常运用图像求解比较直观。或用图像求解，通常运用图像求解比较直观。或用图像求解，通常运用图像求解比较直观。 1 1、质点在半球面上与、
20、质点在半球面上与 对应处的速度平对应处的速度平方的大小若落在曲线与坐标轴包围的区方的大小若落在曲线与坐标轴包围的区域内，质点将在半球面上运动，若在区域内，质点将在半球面上运动，若在区域外将做抛体运动。域外将做抛体运动。2 2、质点开始在球面上的位置在、质点开始在球面上的位置在 0 0处，处，质点不可能滑倒最高点。质点不可能滑倒最高点。3 3、质点开始在球面上的位置在、质点开始在球面上的位置在 N N2 2，a a1 1 a a2 2（B B）N N1 1 N N2 2，a a1 1 a a2 2（C C）N N1 1 a a2 2（D D）N N1 1 N N2 2，a a1 1 a a2 2
21、 利用矢量分析图，N N1 1和N N2 2的大小分别对应于AB的长度和AB1 1的长度；a a1 1和a a2 2的大小分别对应于AC和AC1 1的长度关系。很快能得到正确答案是（B） 显然对习题的研究角度很多，绝对不止以上三种，因而对教师的创新能力的培养也不是停留在上述的事例中，这里只是从我个人的角度得出的一些思考，供大家参考。 2对习题进一步研究的作用对习题进一步研究的作用“ “从不同角度对习题进行研究从不同角度对习题进行研究” ”有时甚至能产生全新的理有时甚至能产生全新的理论，这方面的实例很多，如论，这方面的实例很多，如“ “最速降线最速降线” ”问题。伽利略在问题。伽利略在16301
22、630年提出一个分析力学的基本问题年提出一个分析力学的基本问题“一个质点在重一个质点在重力作用下，从一个给定点力作用下，从一个给定点A A到不在它垂直下方的另一点到不在它垂直下方的另一点B B，如果不计摩擦力，问沿着什么曲线滑下所需时间最，如果不计摩擦力，问沿着什么曲线滑下所需时间最短。短。” ” 伽利略本人并没有给出正确答案，瑞士数学家约翰、伽利略本人并没有给出正确答案，瑞士数学家约翰、伯努利在伯努利在16961696年再次提出这个最速降线的问题，向全年再次提出这个最速降线的问题，向全欧洲数学家征求解答。伯努利给出提示，大意是：欧洲数学家征求解答。伯努利给出提示，大意是：“ “虽虽然然ABA
23、B间线段最短，但小球滚下来的时间不是最短。如间线段最短，但小球滚下来的时间不是最短。如果在规定时间没有人发现这条曲线，我将公布这条曲果在规定时间没有人发现这条曲线，我将公布这条曲线线” ”。 从以上的分析不难看出，加强对物理习题的研究，有助于培养从以上的分析不难看出，加强对物理习题的研究，有助于培养高中物理教师的创新能力，从而将培养具有创新精神和创造能高中物理教师的创新能力，从而将培养具有创新精神和创造能力的高中学生落到实处。力的高中学生落到实处。 对以上每个问题的研究本人均发表了一篇论文，论文目录如下：对以上每个问题的研究本人均发表了一篇论文，论文目录如下： 1一种轻杆与小球连接模型的的解析
24、一种轻杆与小球连接模型的的解析2010.09 中学物理中学物理2对运动物体脱离柱面时的条件分析对运动物体脱离柱面时的条件分析201011 中学物理中学物理3强磁体在铜管（或铝管）中下落时的涡流分析强磁体在铜管（或铝管）中下落时的涡流分析2011.05中学物理中学物理4滑块从斜面顶端释放的问题分析滑块从斜面顶端释放的问题分析2012.04新高考高一物理新高考高一物理 作者作者 江苏省镇江中学江苏省镇江中学 吴好吴好截止期限，约翰、伯努利共收到了截止期限，约翰、伯努利共收到了5 5份答案，他自己和其老师莱布份答案，他自己和其老师莱布尼兹，第三份是他的哥哥雅可布、伯努利，罗毕达是第四个，第尼兹，第三份是他的哥哥雅可布、伯努利，罗毕达是第四个，第五个是牛顿。答案就是一段旋轮线（摆线），帕斯卡和惠更斯以五个是牛顿。答案就是一段旋轮线（摆线），帕斯卡和惠更斯以前就研究过这一重要的曲线，可是他们谁也没有想到这还是一条前就研究过这一重要的曲线，可是他们谁也没有想到这还是一条最速降线。约翰、伯努利的解法最漂亮，类比了费马原理，将物最速降线。约翰、伯努利的解法最漂亮，类比了费马原理，将物理和几何融合到一起，用光学的思想一下子就得出结论，体现了理和几何融合到一起，用光学的思想一下子就得出结论，体现了变分思想，从此诞生了一门学科变分思想，从此诞生了一门学科变分学。变分学。
