例谈物理教学中“缓慢”一词的含义

(江苏省常熟市教育局教研室，江苏 常熟 215500)

·试题研究·

例谈物理教学中“缓慢”一词的含义

陆球

(江苏省常熟市教育局教研室，江苏 常熟 215500)

中学生往往将物理中的“缓慢”与“匀速”“静止”“受力平衡”等概念混淆起来，造成错误判断，笔者阐明了“缓慢”在力学、热学中的含义，并结合具体例题予以说明。

物理教学；缓慢；含义

在物理教学过程中常会遇到“缓慢”一词，缓慢在《现代汉语词典》中的解释为“不迅速”，但在物理学中有其特殊的含义，学生往往将“缓慢”与“匀速”“静止”“受力平衡”等概念混淆起来，造成对过程判断的错误。

1 “缓慢”在力学中的含义

在机械运动中，“缓慢”表示对象运动过程变化得非常慢，因此可认为对象有以下两个特点：第一，对象在沿空间位置变化的方向上速度可认为为零。第二，对象在任意时刻均具有稳定的运动状态。这里要特别注意的是“缓慢”并不意味着对象的速度真的为零。

图1

例1(2012年高考全国卷第16题)：如图1所示，一小球放置在木板与竖直墙面之间。设墙面对球的压力大小为N1，球对木板的压力大小为N2。以木板与墙连接点所形成的水平直线为轴，将木板从图示位置开始缓慢地转到水平位置。不计摩擦，在此过程中( )。

A.N1始终减小，N2始终增大

B.N1始终减小，N2始终减小

C.N1先增大后减小，N2始终减小

D.N1先增大后减小，N2先减小后增大

图2

解析：本题中的“缓慢”有以下含义：首先小球在空间位置上发生了变化，即由于木板的转动，使其位置下移。其次，小球在这个过程中在位置变化的方向上无速度，由于小球原来处于静止状态，因此小球在整个过程中始终保持着“静止”这种运动状态。

由上述讨论可知小球在过程中受力平衡，利用三力平衡的动态分析方法(如图2)，可得答案为B。

(1)弹簧的劲度系数k；

(2)AB杆中弹力为零时，装置转动的角速度ω0；

图3

图4

解析：题干中出现了三个“缓慢”，第一个“缓慢”表示装置的角速度增加很慢，可认为无角加速度。第二个“缓慢”表示小球在空间位置上发生了变化即高度上升，但竖直方向上并无速度，小球在该过程中始终保持着“匀速圆周运动”这种运动状态。第三个“缓慢”表示在弹簧缩短的过程中，小球与小环的空间位置都上升，但均无向上的速度，因此小环保持“静止”的状态，而小球做匀速圆周运动。

(2)由分析可知，小环始终处于静止状态，小球始终保持着匀速圆周运动的状态，因此令AB杆弹力为零时，弹簧长度为x。

图5

图6

由于小环及小球在竖直方向上均无速度，故对系统运用动能定理可得：

由本题可见，在理解了三个“缓慢”的含义后，也就抓住了小球与小环在整个过程中的力学特征，问题也就迎刃而解了。此外，从本题中我们还发现小球在“缓慢”这个变化过程并不处于静止状态，因此“缓慢”并不等同于“静止”。

2 “缓慢”在热学中的含义

在热学中，“缓慢”一词往往表示系统的变化过程为“准静态过程”。所谓“准静态过程”指的是系统在过程中经历的每一个状态均可看作为平衡态(平衡态是指在不受外界条件影响下，经过足够长时间后系统达到一个宏观性质不随时间变化的状态)。热学中关于理想气体的热力学定律及其状态方程主要是在准静态过程中讨论的。

例3(2015年高考江苏卷第12题)：给某包装袋充入氮气后密封，在室温下，袋中气体压强为1个标准大气压、体积为1L。将其缓慢压缩到压强为2个标准大气压时，气体的体积变为0.45L。请通过计算判断该包装袋是否漏气。

解析：该题中的“缓慢”表示包装袋中的气体经历的是一个“准静态过程”，由于包装袋非绝热，因此可认为袋中气体经历的是一个等温过程。

若包装袋不漏气，由理想气体的状态方程p0V0=2p0V′，可得：V′=0.5L>0.45L，故包装袋漏气。

图7

例4(2011年高考江苏卷第12题)：如图7所示，内壁光滑的气缸水平放置。一定质量的理想气体被密封在气缸内，外界大气压强为p0。现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2。则在此过程中，气体内能变化了多少？

解析：该题中的“缓慢”表示在加热过程中气缸内的气体经历的是“准静态过程”，此外，在“准静态过程”中，气体对外界做的功可表示为W′=p0ΔV。

“缓慢”一词反映的是物理学中一种理想化的变化过程，对物理问题的分析与解决起到非常重要的作用，因此必须指导学生正确掌握其含义。

汪志诚.热力学 统计物理[M].北京:高等教育出版社,2013.