chen 2013

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∷

高中物理新课程冲相对论的教孛研究

论物理教师的文化使命

《中国核心期刊 (遴选

)数

据库 》全文收录

河北省物理学会

中国教育学会物理教学专业委员会

主 办

2013∥

2

封 面题 字

:欧

阳 中石

主

编

傅 广 生

堡

辑

】

杨

志

平

责 任编辑

赵 宝 霞

李艳 丽

期 刊 名 称 物理通报 主 管 单 位 河北省科学技术协会 主 办 单位 河北省物理学会 中国教育学会物理 教学专业委员会 编 辑 出版 物理通报编辑部 印

刷 保定市中画美凯 印刷有限公司 发 行 范 围 国内外公开发行 国 内发 行 保定市邮政局 国外 发 行 中国国际图书贸易 总公司(北_{京 399信 箱}) 订

购 全国各地邮政局 邮发 代 号 麴 出版 日期 ⒛13年 2月 10日 主

编 傅广生 中国标 准 连 续 出版 物 号 IssN 0509——4038 CN 13— 1084/○4 国 内定 价 16.00元

∶

醐

嶷蝴

用思维 导 图在 物 理 教 学 中的应 用 …… … … ・钱 奇 兰(2)

拍呷透评

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汪Ξ

次

目

∶

透翻手

熹

鞲蓑≡

范德瓦耳斯气体直线过程 的若 干讨论 ………・张全荣 刘应开(7) “_选系法”_{在力学 中的运用 ……… ……… 刘俊娟 魏增 江}(12) 研究性学 习的调查对大学物理教学 的启示 ………・徐红霞等(1茌₎ 从 电磁学 内容探讨 高 中与大学 的物理教学衔接 ………・于 军等(19〉 大学物理 网络分级学 习平 台设计探讨 ………¨… 杨长铭 王宏伟(22) 浅谈大学物理教学 的语言艺术 ………・冯蒙丽等(25) 有效 教 学 要 真 正 做 到“以学 定 教” — — 听优质课展评有感 ………・ 用摩 擦 角 概 念 理 解 自锁 问题 ¨… … … …… … … … ・胡双根 变 化 情 情 的识 别 与 模 型 的重 现 重 建 … … …… … … … 少 用“二 级 结 论”教 学 着 力 培 养 学 生 分 析 综 合 能 力 … … … … :撬雾鹗串藿|率e翳扌萦∶亨∶ 运 用 圆 的知 识 求 解 物 理 问题 …… … … …・ 物 理试 题 中常 出现 的一 类 命 题 失 误 …… ・… … … … 对 一 道 静 电计 相 关 易错 题 的深 入 分 析 …… … … ・… … … … 邹 湘 江(27) 刘 燕(29) 李 鸿彬(30) 向 国庆(33) 杨 国 平 (35) 刘 密 祥 (38) 刘 庭 华(41〉

荸

=

“ 光具 座”用 途 拓 展 实 例 三 则 …… … … …… … … ・韩 独 石(43) 一 种 描 绘 静 电场 分 布 的实 验 装 置 …… … ・… … … ¨ ¨ … … … … 欧英 雷(45) 测 定 钢 丝 杨 氏模 量 的实 验 方 案 研 究 … … … 林登 清等(47) 静 电场 模 拟 实 验 数 据 处 理 问题 解 析 … … … 乔 月凤 范春 凤

(5D

互 感 现 象 方 案 设 计 与 实 验 … … … …… 黄春如 熊 小 兰(54)

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Cs

应该 尽 量让 学 生 了解 实验 装 置 的工作 原 理。在 进 行 学

生实验时

-应

_{该让学生在明确卖验苜的、}

_{垣廨卖验原理的前}

提 下独立操 作 实验

.

——

_{中华人 民共和 国教 育部 制 定}

:

普 通 高 中《物理课 程标 准 》

(实

_验

) 2渊

一

’ 臼 ’ 臼 〓 3

0图

"

年第

2期

10日 出版

) 选 择 与研 究 … … … ¨ … … … … ∵ … 付 芳 芳等(63) 物 理 教 学 与信 息 技 术 的茛熟整合 … … … 徐 君 生 (65) 应 用Fl灬

h软

件 研 究 动 量 守 恒 定 律 ¨… ・… … … 姚淮 俊(68〉

Dis实

_{验 在 初 中物 理 教 学 中 的} 振 动 图像 描 绘 实 验 的新 设 计 …∷ ¨ … 聂 爱 军 用

DIs系

统 探 究 光 电效应 实 验 规 律 … ¨ … … … 模 拟 法 描 绘 静 电场 实 验 中导 电液 体 的 浅谈描点作 图题 的图线该如何画 —— 由 ⒛12江苏物理高考参考答案 不妥说起 ¨………¨¨……∴・∴.…。…∴。 构建运动模型 巧求 曲率半径 ・………∵……¨ 试从“五角度”商榷“拖把”题 ………¨… 与“矿井”有关 的高考物理选择题 的 分析与拓展 ………¨……… ⒛12江苏高考 物理14题要点突破 ——不计质量的力学模型 ………¨……… 近五年 高考新课标全 国卷理综物理 选择题分析 ………¨………¨……… 细线绕柱问题的探讨 ¨………¨………¨¨ 李 力(101) 对力学 中一表达式 的审视和再修正 ……・…… 王光宇(102) 对 ⒛12年全 国高考理综

21题

的讨论 ・”・…・薛文堂(105) 高 中物理新课程 中相对论 的教学研究 ¨…… 黄 皓(107)

麦克斯韦精确验证电力平方反啄律的

实 验 和理 论 ・¨ … … … ∵… …¨ 魏 标

(1n)

拓展 中国传统文化在大学物理课堂 教学 中的应用 ……… 苑新喜等(115) 论物理教师 的文化使命 ……¨

i…

¨ ……… 解世雄(118) 直拉硅单 晶位错与微缺陷的 产生原理及其检测方法 ………・李 孟 刘俊 飞(1么₁₎ 乔 密海(57) 康 良溪(59) 应用初探 …¨…¨…¨……¨… 沈孝兵 杨 理(7I) 王仁 泉(73) 刘 益 民(75) 钟

_'鸣

(80) 刘振 华(82) 潘 霞娟(84) 李 红 伟(86) |短

文荟萃

| 谈库仑定律 的适用条件 ・…∴・¨Ⅱ,…_∵¨∷・…¨¨ 巧用 自感规律解物理竞赛题 ¨……・¨…………∵¨ 求解碰撞次数 的突破 口 ・………・… ……¨¨……… “ 热气球”演示实验创新设计 一道光学高考题的三种解法 蔡 亮 (1⒛ 〉 许 文龙 (125) 马绪友 (126) 王 晶(127) 刘全 山(128) 对教学 中某些实验的质疑(下_{〉・……¨ 置绍符 张喜 荣}(90) 重力 的新定义:动量流 的视 角 ・………¨ 陈敏华(94) 释疑机车启 动的有关 问题 ……¨…¨…¨… 庞艳红等(98〉 “ 关 于人们看到水 中鱼 的一些特点” 一文 的商榷 ¨¨¨¨………¨…………¨ 王学 良(99) 封 面设 计:彭 勃 制 作:盂 丽

⒛

13年

第

2期

物 理 通 报 物 理 问题 讨 论

囤

亠

重 力 的新 定 义 ∶

动

Ⅱ

∷

_{陈敏 华 ∷}

(绍_{兴县豫 才 中学 浙江 绍兴}

_312000)

(收_{稿 日期}:⒛

12-06-08)

摘 要:当前流行着各种各样重力 的定义.这 些定义在重力和相关概念(如失重)的教 学 中会 出现混 乱,运 用 动 皇 流 的概念,笔者找到 了一种新 的重力 的定义,它 可 以避免这种混乱. 关键词:重力 定义 实物型物理量 动量流

重力是一个变化 中的概念。我们可 以从 国内外

文献 中找到各种各样对 重力 的定 义 的表述。在美 国

物理教师协会

(AAPT)的

两本杂志《美 国物理学杂

志 》和《物理教师 》中发现

,早

在 19世 纪 60年 代初就

开始 有 这 方 面 的 争 论 了

E1″

口

,并

_{ˉ 直 持 续 到 现}

在

[3’

矧

.

∵

∷

_∷

最近

,我

国的ˉ些 学者在《物理教 学 》、

《物理通

报 》等杂志上也在讨论∷

这个 问题

[p≈

引

_.我

_{们可 以将这}

些不 同的重力 的定义分 为两 大类

,第

一类 是 把作 用

在物体上 的万有 引力定 义 为重力

,这

种重力 的定 义

叫做万有 引力 定 义

(graYitational deⅡ

n“

on);第 二

类是把用重力测 量仪 的示 数 或物体对 支持 物

(或

悬

挂物

)的

力定 义 为重力

,这

种 重力 的定义 叫做操作

型定义

(operational definiuon)。

_{这两种定义有一个}

共 同的特点

,即

它们都与力 的概念有关

?

揖据爱因所坦 的观点

,物

_瞿理论

(和

概念

)肆

立

在人们对世界的感知和经验的基础上

,因

而具有心理

学上的意义

[明

_。然而

_,我

们所 能感 知 到 的不是力

,而

是流过我们人体 的动量流

(m。menttlm‘

currenO,或

叫做应力

(stress).例

_如

-如

_{果 我们用双手将 自己悬}

挂在⊥根杆子下

,作

用在身体上的合力为零

,但

通过

人体的动量流不为零

E1°

□

∶在上述情况中

_,我

_们的身

体有一种重力感。

所以

,力

的概念与我们对重力的感

知是不工蔹曲。因此

:运

用力的概念来定义重力 自然

会芎丨

起混乱。

雨运用德国卡尔斯鲁厄物理课程

(Th。 Karlsruhe Physics Courso)E11]所

倡导的动量流的概

ˉ

x系

⒛11年浙江省教育科学规划课题f中德高 中物理课程 比较研究’成果之一,编号 :sC223 作者简介:陈敏华(1962= ),男 ,博士,正高,主要从事物理课程和教学论研究。

.

——

₉₄

——

念

,可

以得到⊥个符合爱 因斯坦上述观点 的重力 的

新定义

.这

_{一新 的定义 可 以帮助 我们避 免∵些混乱}

和正确理解有关重力 的一些现象

(如

失重

)。

1

重力的万有 引力定义

∴∶

∷

在较早 的物理教科 书 中

,物

体 的重力被定 义为

地球作用在物体上的万有 引力、这个定义有

_=定

的

局 限性

,这

是 因为它仅仅 指在 地球表 面的物体 的重

力。如果物体在其他星球上或在空间某一位置

,这

∵

定义就不适 用 了。这 样

,有

_{人 就 将 这 一定义作 了拓}

展

,把

物体 的重力定 义 为宇宙 中所有其 他 物体 对 它

的万有 引力 的合 力

E12].根

据 这 一定 义

,∷

重力 可 以用

公式

W=勿

γ来表示

,式

中 γ是物体所在位置处的引

力场强度

,仍

是这个物体 的质量㈤

.在

地球表面

,这

个

公式为

W≡

庞 ,g为 地球表面的重力加速度

,又

叫做

地球表面的 自由落体加速度

(freefall accel。ra⒍ on)。

然而

j这

_{一定义不符合人们在一些特殊情况下}

(在

_{考虑地球 自转 的情 况下}

_,在

_{升 降机 中}

_,在

_{宇 宙飞}

船 中

,在

自由落体 中

,等

)对

万有 引力 的有关现象所

形成 的经 验。这 样 ,物 体 的重 力 又 被 定 义 为

W′

=

勿gk,式 中

gR皂

_{物体相对于某⊥参考系的 自由落体}

加速度

[2].在

这个定 义 中

,重

力 是相对 于某 一 参 考

系而言的

.为

了保 留原来对重力 的定义

,一

些学者把

W叫

做 真 重 (true weight),把

W′

_{叫 做 视 重}

(apparent weight)。

E2]

_∷

气

〓

.J刊

劐

钼

耦

男

唧

巍

割

叫

圉

L冖

丬

刷

望

∷

剌

割

劐

L酬

胡

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.1删

躏

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删

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￠

≡

.∷

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〓

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〓

鹄

~角

视

的

∷

流

旦

里

⒛】

3年

第 2期

物理 通 报 物 理 间题 讨 论

2

重力的操作型定义

上述 视重 的概念符合 国际标 准组织

EO(The

Interhatioha10rganiz五

tion￡o宝

∷

StandaFdization)对

重力 的定义

[1卩 ]。

这 一标 准被 引人 到 了我 国正在 执

行 的国家标准

“

力学 的量 和单位

”

即

“

物体 在特定参

考系

j中

的重量 为使该物体 在此参考系 中获得其加速

度等于当地 自由落体力

r速

度 的力。当此参 考 系为地

球时

,此

量∴

常称为 物体所在地 的童力,值 得注意的

是

,重

_{量不仅与物体所在地的引力的合力有关 丿}

而且

与由于地球 自转引起 的当地离心力有关

:由

于浮力

的作用被排除

,因

此

,所

定义的重量是真空中∷

的重

量

'n刂

这工董量

(即

_童力

_)的

_走

|义

_{看上去 己被 由际}

上所接受。

∷∶

∶

∵

.

∵

∷

∷ ∷

'然

_市

_,视

_{童的概念在讨论失重琬象时会产生不}

一致的情况

:首

先

,如

果我们把重力仪的实陈读数叫

做祝董

,尹

阝

么

,对

于矢童现豪莪们也应该

,H薇

“

视失

重”

∶

而这与实陈观察到的情况是不工

:致

的。

其次

,女

口

果我们把重力与某工参考系映系起来

,这

样

,物

体的

重力就取决于所选取的参考系了

:女

口

果这梓的诂

,失

童规豪也只能在锫走的参考系中兢黏

llE4].肃

_实踪

上

,在

ˉ个与 自由落体相对静止的参考系中能观察

到晶矢董窥豪

,在

⊥∶

^相

对手地球静止钠参考糸|

也向梓能观察到。

这说萌物秣处于失重莳

,卖

踪上直

的缺少扌工种“

东西”

,并

直

,这

工现象与参考系无

关

:即

在任何季考不郡能观察

nll这

工现搴。

为 了消除这 些不△致 幽情浼

,由

外 一些 莩著 捷

艹了操作性更镇 莳章力 的走义。这些 定义 又可 以分

为两类。⊥ 类 是把 重力 简 单 地 定 义 为 重 力 仪 的读

数

:1∶

彐

|或

+E熏

力柱

X为

支奉亩对静止在它上面南物

体 的支持力亡

1只:1:彐 _(有

些莩 著甚 至倒 过来把董,J定 攵

为饧体砟角在芟持面上的

,JE1J’

∶另

_=类

是把童力定

× 为人对童力 的感党

E1引 ,球

_{者说人体组织形变引 起}

的襻萁

[31,刖

物铃 内部 的应力

El阢2。

彐

。显然

,这

_些定义

更加清楚地描述 了重力 的可观察性。但我们发现

,这

些定义是不够精确和碉叨趵

.首

_先

,对

于上述第一类

覃 刀

0t衣

兴

,申

于支持 面 的倾科度 的不 同

.,重

力 仪 所

聊屮的翠

,J滓

数是下哗牢叩

,审

会随育支持面的倾

斜度的改变而变化。显然

,我

们不能 接受物体的重力

会随文持面的倾斜度的改变而变化这

_=结

论。

其次

,

对于上述第二类∷

重力 的定 义,这 类定 义没有告诉 我

们是重力 的哪些 因素引起 了物体 的形变

,也

无 法告

诉我们是什么原因导致 自由下落的物体的内部应力

变为零 的

.

∷

3

重力的新定义

-∴

我们迫切需要对重力进行重新定义

,消

除在解

释重力和失重现象时所 出现的不∵致甚至混乱 的情

况

.一

种基于动量流概念 的重力 的新定义

,可

以帮助

我们解决这工 问题

:

∷

∶ ∵

动量是 广延 量

(extensiw qtI左

_{ntky),又 叫做 实}

物型量

(sjbotan。

。ˉ

like quanJty)E2i~2s],这

_些量包

括渍皇

t能

皇

1劫

薹、

扇劫皇

t电

椅量

:物

渍南量和嫡。

显 然

,动

_{量在 力 学 中是一 个 迹 宁核`o施 莅 南物 理薹。}

∷

在 力 学 中

,牛

顿定律 实 际上 就是 动量 守 恒 的表 达式。

在一个耗散过程 中

,动

量 自发地从 速度 大 的物体 流 到

速度小的物体。

如果要让动量朝写自发的方向相反的

方向流动

,就

_{需要动量泵〈}

lu。

"enttIm pum⒆

。

图

1是

_{演秃动晕流即 △个 笨覃}

_:剪

_{旱 从 人 的肌}

肉通过上面的弹簧流到箱子

,再

从 下 面 的弹簧流 回

到人。取从左 向右的方 向为正方 向

,处

亍拉伸 的弹簧

表宗正的动量向生芳向流动

,处

手怎嘛的弹簧袅示

正中动曩冖

F方

冖流动∵

图⒈中取下回∷

昀斡子使动

晕零译珥甲烨甲

:日

此∴

审

:rl是

动量巾绝缘铃

.淳

旱∷

,

人起着动量泵的作用甲’

:5].

∷

图

1

_{动量流的方 向可 以从拉伸 或庄缩 的弹簧 中显示∴出来}E11]

现在我们来讨论引力场 申的动量流。我们把这种

动量 流 叫 做 引 力 动 量 流

(gra说

taJond momentum

current).所

有

ˉ

物体 都 沉浸 在 引力 场 中.动 量 通 过 引

力场传

glj叨

体。例如

,∵

_{个 人静 止地 站在地 可上}

_-图 2冫

・

作用隹卒个人叩食冖汐胃

:佴

申亍歹砷曩珥过人

终

,因u’

华有

∵种重力牮∵砷旱洱过弓丨刀汤从地球

传递到人体

,然

_{后通过人体流回大地}

.取

_{向下的方向}

——

₉₅

——

⒛

13年 第

2期

物 理 通 报 物 理 问题 讨 论

为正方 向。由于正动量在人体 内向正方 向流动

,人

体

处于压缩状态

.∶

∷

4

结论

-力 是 一个 高度抽 象 的概念 。因此

,用

力 的概 念来

定 义 重力 往往 会 与 实 际 的现 象 不 ∵ 致

,从

而 产 生 一

些 混乱 情 况

.用

动 量 流 的概 念 所 定 义 的重 力 具 有 以

下 几个 优 点

:

∷

∷

首先

,这

个定 义 与有关 重力 的现象相 一致 。我们

知道

,动

量 流 能 引起 人 体 的内部 发生 形变

,人

因此会

有 相应 的感 觉 。因此

,当

人 自由落下 时产 生 的失 重感

的原 因不 是 内部 应 力 的抵 消

[20□

,而

是 因 为 人 体 内

部 根本 没 有 引力 动 量 流。一 个 静 止 地 站 在 地 面 上 的

人 之所 以会 在脚 部 强 烈 地 感 受 到 一 种 压 迫 感

,是

因

为有 引力 动量 流从 其 脚底 流 出。所 以

,对

引力 动量 流

的感 觉是 定 义 重力 和失 重 的一 个 重要 依 据 。

第 二

,这

个定 义非 常确切 。物体 的重力 应 该 由它

的质量 、

它所 处 的位 置 和 它 的 运 动 状 态 来 决 定 。

[2°

彐

由此

,我

们 可 以认 为 不 应 该 出现 如

Bartlett所

_{说 的}

“

在 不 同的参 考 系 中可 以 观 察 到 不 同 的重 力

”

的结

论

E逐];也

不 应 该 出现 如 孔

kolowski所

说 的

“

物 体 的

重力 随 支 持 面 的 倾 斜 程 度 的 改 变 而 变 化

”

的 结

论

E15]。

_{根 据 重 力 的新 定 义}

_,物

体 的重 力 确 切 地 由物

体 内部 由于万有引力 引起 的应力所决定。虽然物体

的运动状态取决于所 选 的参 考 系

,但

从 物体 流 出的

引力动量流在不 同参 考 系 中是 相 同的

,如

果 物体静

止在∵个斜面上

,它

通 过 引力 场从 地球所 吸取 的动

量通过两种渠道流 回大地.这 两种 渠道 就是 垂直 于

斜面 的支持作用和沿斜面的静摩擦作用

.

第三

,这

_{个定 义非 常简 明}

,符

合教学 约要求。非

常明显

,与

⒙

o对

重力 的定义 比较

,这

个定义简单而

明了

,因

而容易理解。例如

,在

这个定义 中

,我

们没有

必要指 出重力与离心力和科里奥利力有关

,也

没有

必要指 出空气浮力的作用应该被排除在重力 的定义

之外

.在

这个定义 中

,浮

力 明显地是工种对物体 的支

持作用

,因

而是引力 动量流从 物体流 向大地 的

-个

“

_{通道”。因此}

,物

体 在受 到浮力作用 时

,并

不处 于失

重状态。

∷

最后

,重

力 的新 定义帮助我们 清楚地 区别重力

和万有引力两个不 同的概念。现在我们知道

,作

用在

物体上 的万有 引力 是 由动量 的辐射传递

(由

_于动量

的辐射传递

,在

图 2,3,4中 很难表示 动量 流从 引力

场流到物体 的某一部位 的确切路径

,因

此

,用

虚线来

图

2

从 引力场传递到人体 的动量又通过人体流 回到大地,人 体处于压缩状态E11]

图

3是

这个人体的模型

.它

_{由上下两部分组成}

.

从 图

3中

可 以看 出

,从

上部分 流 出的动量流是从下

部分流 出的动量流 的两倍。

艹 、贷′ 图

3

静止地 站 在 地 面 上 的 人 的模 型。它 由上 下 两 部 分 组 成[ll]

现在 让 这个 人 体 模 型 做 自由

:落

体 运 动

,如

图

4

所示 。它

∴

在 自由下 落 的过 程 中

,不

断 地 加 速 。这 就 意

味着

,它

不 断地 通 过 引力 场从 地 球 吸收动 量 。这些 动

量 只能储 存 在人 体 中

,无

法从 中流 出

,因

为没有 动 量

流 出的通 道 。在人 体 内部 也 没 有 动 量 在 流 动 。因此

,

人体 既不 处 于压 缩 状态

,也

不 处 于拉伸状 态

,而

处 于

失 重状 态

.

∷

、

l|

∵

∶

_曩

:∶

图连 自由落体处于失重状态。在自由落体内部没有动量流[11] 现可 以用 动量 流 的概 念 给重 力下一个 新 定义 了:

一个物体 的童力的大小等手从这个物体流出的

引力动量流的强度。

——

₉₆

——

2

郡

⒋

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、

酬

叫

司

r

zO13年 第 2期

物 理 通 报 物 理 问题 讨 论

表 示

)所

导 致 的物 体 的动 量 吸 收 率

(m。

_{m entum}

sink rate),而

_{重力是从物体流}

_tg的

_{引力 动量 流。从}

这一点上来说

,“

超重

”

这一概念 应取 消

,因

为物体

的重力最大值等于它受 到的万有 引力

,即

物体 只会

处于失重状态而不会处于

“

超重

”

状态。

参 考 文 献

1 Allen L,King.W0ght and W0ghtles叩

es⒌

Am.j.

Phys. 3o, 387(May1962)

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A New DeⅡ

nition of Weight:∷

The Momentuη

_{Current Perspettive}

Chen Mihhua

Abstract:Th缶e are var0us definit0ns°_{fw占 查ht,ihese defihh0ns°}fw0ght lead to oonfu⒍ ons in teocⅡ ng thσconcept of woght and its relat0nt° we唿hdessness, Using the cohcept of momentum current,we can get a new definit0n of w0ght,

which ca。 help us t° re”ove the c°nfusing inconsistencies.

Key words:woght;deⅡ nlt0n;substance— likβ _{physical quant【}ty;momentum current