何家新
《义务教育物理课程标准》(2011版)中指出:纸笔测验的试题和课后的作业题,应尽量创设与生产、生活相联系的情境……在设计这些试题时,注意题目的取材应尽量贴近生活,情境设计符合实际情况,数据合理等。为此广大物理教师及教材、教辅资料的编写者都作出了很大努力,以实现物理与生产、生活相联系的目标,但也有一些做得不到之处,下面试举几例。
例1.(2014·郴州中考)三峡船闸是世界上最大的,共有5级闸室。现有一艘轮船从水位是150 m的上游进入首级闸室,当首级闸室的水位降到130 m时,轮船就可以进入下一级闸室了。其首级人字闸门每扇门高40 m,宽20 m,厚3 m,由钢制材料制成(钢的密度取ρ钢=8×103 kg/m3,g取10 N/kg)。求:
(1)其中一扇首级人字闸门的体积;
(2)其中一扇首级人字闸门的质量;
(3)轮船通过首级闸室的过程中,闸室底部受到水的压强减小了多少?
进行简单的计算可知,其中一扇首級人字闸门的体积是V=40 m×20 m×3 m=2400 m3,质量是m=ρ钢V=8×103 kg/m3×2400 m3=1.92×107 kg=19200 t。一扇闸门的质量就将近2万吨!真的如此吗?上网查一下相关数据发现,三峡船闸的确是当今世界上最大的,它最大的一扇首级人字闸门高38.5米(一说39.5米)、宽20.2米、厚3米,质量850 t。试题中为了减轻学生的计算量,闸门的尺寸数据取相近的整数,这无可厚非,但计算出来的质量相差如此之大,这是为什么呢?其实这很简单,闸门不是实心的!它是一个表面用钢板密封的钢架结构。因此,题目的情境设置表面上看没问题,利用这个真实的情境可以激起学生的民族自豪感,可实际中却是条件不足,无法计算。
例2.(人教版义务教育教科书物理八年级下册第38页“动手动脑学物理”第4题,2012年10月第1版,2013年10月第1次印刷)工程师为什么要把拦河坝设计成下宽上窄的形状?三峡水电站的大坝高185 m,当水库水位为175 m时,坝底受到的水的压强是多大?
还是关于三峡的题目,这次是出现在教科书中,但问题还是情境够真实,数据却不足,结果仍然是无法计算。我们看一下相关的资料:三峡水库总库容393亿立方米,大坝长2335米,底部宽115米,顶部宽40米,高程185米,正常蓄水位175米,最大浇筑坝高181米,大坝下游的水位约海拔66米,坝下通航最低水位海拔62米,通航船闸上下游设计最大落差113米。水电站总装机容量2250万千瓦,是全世界装机容量最大的水力发电站。可见,根据题目中“水库水位为175 m”的数据,并不能计算坝底受到的水的压强,因为水库的水位是海拔高度,并不是水面到坝底的水的深度!实际水的深度要比这小得多,按照大坝高程(即海拔高度)185米,最大浇筑坝高181米(这是指真正浇筑混凝土的高度而不是海拔高度),可知大坝基础底部海拔高度为4米,但大坝基础的底部不可能在江底表面有江水的地方(就像起大楼打基础不可能在地面上),所以肯定还深入江底之下,因此实际坝底有江水的地方的海拔高度要比4米高,这样水深就远小于175米(但要比最大落差113米大一些)。
例3.(人教版义务教育教科书物理九年级全一册第110页例题,2013年6月第1版,2014年6月第1次印刷)炎炎夏日即将来临,明明家新购置了一台1 kW的空调。已知他家原有用电器的总功率是5600 W,电能表上标有“220 V 10(40) A”的字样。请你通过计算说明:
(1)使用这台空调时,通过它的电流是多少?
(2)从电能表使用的角度考虑,明明家的电路是否允许安装这样一台空调?
教材给出的解答为:这台空调的电流为I1=4.5 A,增加这台空调后明明家的用电器总电流为I=30 A<40 A,可以安装。
事实上,这一解答是有问题的,对于空调这类非纯电阻单相交流电路来说,计算电功率与电压、电流之间关系时,P=UI是不适用的,此时应用P=UIcosφ来计算,其中cosφ是功率因数,所以本题还是条件不足,无法解答。当然,实际家用空调机的功率因数可达0.8~0.9甚至更高,当仅考虑电能表能否承受时,直接用P=UI来估算未尝不可,但如果未加说明就直接这样计算,会引起教师、学生的误解,有损于教材的科学性和严谨性。其实对于非纯电阻交流电路有关计算,初中阶段未作要求,因此用这一题目作例题并不合适。
例4.(2014·邵阳中考)2013年2月,我国科学家研究出了一种超轻材料,这种材料被称为“全碳气凝胶”。它是迄今为止世界上最轻的材料,其密度仅0.16 kg/m3,则体积为2 m3的这种气凝胶的质量为 kg。
该题又是一道与实际似是而非的题目,这应该是未加分析就照抄新闻报道的结果。密度为0.16 kg/m3,新闻报道中是这样写的,但考虑一下,这比空气的密度1.29 kg/m3还小得多,这个全碳气凝胶在空气中岂不是像氢气球一样会漂起来?如果不加说明,极易引起误解。实际上全碳气凝胶在空气中并不会漂浮起来,它就像一个内部充满了空气的海绵,0.16 kg/m3这一数值是在排除空气后的密度值,或者说是不考虑空气的浮力作用时测得的值。对于这种密度很小的物质,空气的浮力作用不可忽略,应该像对待气体那样排除空气的浮力影响来标明其密度值,如果这样,全碳气凝胶的密度应该标为1.45 kg/m3。
课程标准中提到:义务教育物理课程旨在提高学生的科学素养,让学生养成实事求是、尊重自然规律的科学态度,不迷信权威,勇于创新,有判断大众传媒信息是否符合科学规律的初步意识。作为物理教师要自己先做到,才能培养学生达到这一课程目标,为此在命题时要慎之又慎,避免设置一些似是而非的物理情境。
编辑 段丽君