从物理走向生活

许文 叶明恩

从物理走向生活，从生活走向物理，是新课程改革的教学理念. 近年来全国与各地的高考物理试题出现了一些物理与科学、技术、社会、环境等STSE试题. 这些试题把理论知识和实际生活巧妙联系起来，朴实新颖，透着时代气息，引领学生学以致用，培养了同学们的创新能力与实践能力，体现了新课标的教学理念.

一、物理学与现代生活

在物理学习中，广泛地联系社会生活实际，将大大地扩充自己的知识面，开拓自己的眼界.

1.电子天平

例1 （2014重庆8）某电子天平原理如图1所示，E形磁铁的两侧为N极，中心为S极，两极间的磁感应强度大小均为B，磁极宽度均为L，忽略边缘效应. 一正方形线圈套于中心磁极，其骨架与秤盘连为一体，线圈两端C、D与外电路连接. 当质量为m的重物放在秤盘上时，弹簧被压缩，秤盘和线圈一起向下运动（骨架与磁极不接触），随后外电路对线圈供电，秤盘和线圈恢复到未放重物时的位置并静止，由此时对应的供电电流I可确定重物的质量. 已知线圈匝数为n，线圈电阻为R，重力加速度为g. 问：

（1）线圈向下运动过程中，线圈中感应电流是从C端还是从D端流出？

（2）供电电流I是从C端还是从D端流入？求重物质量与电流的关系;

（3）若线圈消耗的最大功率为P，该电子天平能称量的最大质量是多少？

解析  （1）由右手定则可判断线圈中的感应电流从[C]端流出.

（2）外加电流在线圈中产生的安培力[FA]应竖直向上与重物的重力相平衡，由左手定则知外电流应从线圈的[D]端流入. 由[FA=mg]和[FA=2nBIL]得[m=2nBLgI]

（3）设称量最大质量为[m0]，由[m=2nBLgI]和[P=I2R]，得[m0=2nBLgPR]

点评  本题以电子天平为背景，考查了感应电流的方向的判断、安培力方向的判断与大小的计算、力的平衡、电功率等物理概念和规律，也考查了对极值问题的分析，体现了关注科技发展与生活科等新课改的教学理念.

2.检查酒驾

例2  （2014山东23）研究表明，一般人的刹车反应时间（即从发现情况到开始减速所用时间）[t0]=0.4s，但饮酒会引起反应时间延长. 在某次试验中，志愿者少量饮酒后驾车以[v0]=72km/h的速度 [25][72][ 图2]在试验场的水平路面上匀速行驶. 从发现情况到汽车停止，行驶距离为[L]=39m，减速过程中汽车位移[x]和速度[v]的关系曲线如图2所示，此过程可以视为匀变速直线运动. 取重力加速度[g]=10m/s2，求：

（1）减速过程中的加速度的大小和所用时间;

（2）饮酒使试验者的反应时间延长了多少？

（3）减速过程中汽车对志愿者作用力的大小与志愿者重力大小的比值.

解析  （1）设减速过程汽车加速度的大小为[a]，所用时间为[t]，由题可得初速度[v0]=20m/s，末速度[vt]=0，位移[x]=25m，由运动学公式[v02=2ax]，[v0=at]，代入数据，得[a]=8m/s2，[t]=2.5s

（2）设志愿者反应时间为[t′]，反应时间的增量为[Δt]，由运动学公式，有[L=v0t′+x]，[Δt=t′-t0]，代入数据，得[Δt]=0.3s

（3）设志愿者所受合外力的大小为[F]，汽车对志愿者作用力的大小为[F0]，志愿者质量为[m]，由牛顿第二定律，有[F=ma]，由平行四边形定则，有[F02=F2+（mg）2]

代入数据，得[F0mg=415]

点评  本题以当前交通治理“酒驾”行为为背景，考查了匀变速直线运动的基本规律. 要求同学们做到理论联系实际，审题建模，解读题目所叙述的物理现象，从相关图象中获取有用的解题信息.

二、物理学与现代技术

物理学与生产技术极为密切. 在物理学习中，必须重视物理学与现代生产的关系.

1.测速装置

例3  （2014浙江24）其同学设计一个发电测速装置，工作原理如图3所示. 一个半径为[R]=0.1m的圆形金属导轨固定在竖直平面上，一根长为[R]的金属棒[OA]，[A]端与导轨接触良好，[O]端固定在圆心处的转轴上. 转轴的左端有一个半径为[r=R3]的圆盘，圆盘和金属棒能随转轴一起转动. 圆盘上绕有不可伸长的细线，下端挂着一个质量为[m]=0.5kg的铝块. 在金属导轨区域内存在垂直于导轨平面向右的匀强磁场，磁感应强度[B]=0.5T.[a]点与导轨相连，[b]点通过电刷与[O]端相连. 测量[a、b]两点间的电势差[U]可算得铝块速度. 铝块由静止释放，下落[h]=0.3m时，测得[U]=0.15V.细线与圆盘间没有滑动，金属棒、导轨、导线及电刷的电阻均不计，重力加速度[g]=10m/s2.

[图3]

（1）求此时铝块的速度[v]的大小;

（2）求此下落过程中铝块机械能的损失.

解析  （1）设属棒产生的感应电动势大小为[E]，则电压表的示数[U=E=ΔΦΔt]，[ΔΦ=12BR2Δθ]，[U=12BωR2]，[v=rω=13ωR]，解得[v=2U3BR=]2m/s

（2）[ΔE=mgh-12mv2]=0.5J

点评  本题以现代生产中测速装置为背景，考查感应电动势方向的判断、电磁感应定律、能量守恒等基本概念和规律.

2.同步加速器

例4  （2014天津12）同步加速[× × × ×

× × × ×

× × × ×

× × × ×] [ 图4]器在粒子物理研究中有重要的应用，其基本原理简化为如图4所示的模型. [M、N]为两块中心开有小孔的平行金属板. 质量为[m]、电荷量为[+q]的粒子[A]（不计重力）从[M]板小孔飘入板间，初速度可视为零. 每当[A]进入板间，两板的电势差变为[U]，粒子得到加速，当[A]离开[N]板时，两板的电荷量均立即变为零. 两板外部存在垂直纸面向里的匀强磁场，[A]在磁场作用下做半径为[R]的圆周运动，[R]远大于板间距离. [A]经电场多次加速，动能不断增大，为使[R]保持不變，磁场必须相应地变化. 不计粒子加速时间及其做圆周运动产生的电磁辐射，不考虑磁场变化对粒子速度的影响及相对论效应. 求：

（1）[A]运动第1周时磁场的磁感应强度[B1]的大小;

（2）在[A]运动第[n]周的时间内电场力做功的平均功率[Pn].

解析  （1）设[A]经电场第1次加速后速度为[v1]，由动能定理，有[qU=12mv21-0]

[A]在磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力，有[B1qv1=mv21R]，解得[B1=1R2mUq]

（2）设[A]经[n]次加速后的速度为[vn]，由动能定理，有

[nqU=12mv2n-0]

[A]第[n]次做圆周运动的周期为[Tn=2πRvn]，运动第[n]周的时间内电场力做功为[Wn=qU]

该段时间内电场力做功的平均功率为[Pn=WnTn]，解得[Pn=qUπRnqU2m]

点评  本题以现代科学研究中的同步加速器为背景，把牛顿运动定律、动能定理、电场功做功、电功率等知识结合带电粒子在电、磁场中的运动进行考查，也考查了同学们定性分析与定量研究相结合的分析方法.