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科普教育优秀导学案展台:《生活中的趣味物理》李运立

发布时间:2019年11月04日 18:01 作者: 点击:[]

生活中的趣味物理

姓名:

授课时间:

 第      1     课时

课型:新授

1    使学生带着物理的眼光走进生活,激励同学们认真研究生活,并在研究过程中积累知识,拓展视野,形成务实的探索精神。

2    让教师在校本课程开发和实施中,发展教研和科研水平,形成一支良好的校本课程开发和实施的教师队伍。

重难点

1    通过提供信息资源,创设情境,进行课堂教学及课后活动,引导学生认识物理与生活的关系。

2    掌握探究问题的方法,学会素材收集整理,学会原理分析,提高处理信息的能力和解决问题的能力。

学法指导

查阅资料,结合日常生活实际,联系工农业生产

学习过程

   二次备课

电 磁 列 车

在这种电磁铁路上,车厢的重量被电磁铁的吸引抵消了,所以是完全没有重量的。他设计的车厢不是在路轨上,也不是在水面上或天空中运行的,而是在没有任何支撑和接触的情况下悬在无形的,却强劲的磁力线上奔驰的。懂得了这个工作原理,您就不会大惊小怪了。由于它们受不到一丝摩擦,所以一旦运动起来,无需机车牵引就能依靠惯性保持原有的速度来运行。

它的运行是这样实现的。车厢是在一个抽掉了空气的铜制管道中运动的,所以就消除了运动的阻力。车厢底部也产生不了摩擦力,因为车厢己被电磁力悬起,于是在运动时就不同管道壁接触。为此,在全程的管道上面每隔一段距离就得安装一块强力电磁铁,以吸住在管道中运动的铁制车厢,不使它们跌落。磁铁磁力的强度应恰恰能使这些在管道中行驶的列车厢维系在管道的“天花板”和“地板”之间,不能接触其中任何一方。电磁铁把它下面运行的车厢向上吸,车厢却不因此而碰到“天花板”,因为还有重力在向下拉。而未等它在重力的抖动下磁到“地板”,就又被电磁铁吸了上去……就这样,始终处于电磁力控制之中的列车在其空中做波浪式运动,这种运动不受摩擦的阻碍,无需动力的供给,就像在宇宙空间运行的行星一样。

车厢是什么样的呢?它像是雪茄状的大圆筒,每节高90厘米,长25米。当然是密闭的,因为它是在真空中运动的。它和潜水艇一样,内有自动清洁空气的装置。

列车的启动方法也是绝无仅有的:类似于炮弹的发射。真的,可以说它就是“发射”出去的,不过所用的是电磁炮罢了。起动它的车站构造具有螺线管的特性,这种螺线管的导线在有电流通过的时候吸引铁芯。这种吸引异常迅猛,以至在线圈足够长、电流足够强的条件下使铁芯获得极高的速度。在新式磁力铁路线上运行的列车就是靠这种力量发动的。由于管道内没有摩擦力,速度不会减小,靠惯性一直前奔,车站的螺线   管断电后才会停住。

下面是设计者提出的若干细节:

"1911至1913 年间,我在托姆斯克工艺学院的物理实验室用铜管做实验。我在铜管(直径为32厘米)安装上多块电磁铁,在电磁铁下面的支架上放上小车一一那是一节铁管,前后都装有轮子。小车前头有凸出的“鼻子“,它撞到一块用沙袋支起的木板时,小车就会停止。小车重10千克。速度约为6   千米/时。由于房间面积和环形管道长度(这个环形管线、、的直径为 6.5 米 ) 的限制 , 没能完成超过这个速度的实验。但在我完成的原设计中,始发站上的螺线管长度达到了3   俄里(1 俄里等于 1.067 千米 一一译者注 ) 。这样 , 车的速度就很容易达到每小时 800~1000 千米。又因为管道中没有空气 , 车与地板和天花板之间没有摩擦   , 所以它在行驶时 不用消耗任何能量。

尽管制造这套设备 , 特别是其中铜管道的费用很多 , 可是省去了运行 的动力、机务、乘务人员等开销   , 每千米的运营成本不过千分之几到百分之 l至2 戈比 , 而双线每昼夜的运输量 , 仅单向就可达 15000 人或 10000 吨货物。 "

现在莫斯科的多家邮局采用了改造后的上述设装置,用来转运较轻的邮寄品。试行的运送路长120   米,运行速度为30米/秒。这种电磁邮局的构造说明存于列宁格勒公共图书馆,可供读者借阅。

在 铁 路 的 弯 道 处

一位物理学家曾这样描述道:“我坐在火车上当它转弯的时候我突然发现铁路近旁的树术、房屋以及工厂的烟囱都变成倾斜的了。”

当火车开得很快时   ,乘坐火车的旅客有时也会看到这种现象。 我们不应认为造成这种现象的原因是在弯道外边的一条铁轨比里面的一条铺设得高一些,因此火车在转弯的弧线上行驶时处于某种倾斜状态。假如此时你将头略探出窗口,不是通过倾斜的窗框来看周围景物,这种错觉依然存在。

其实,读者在读了前面一节之后,似乎已经没有必要再详细解释这个现象的真正原因了。读者大概已经猜到,当火车在弯道上行驶时,车厢里悬挂的悬锤一定处于倾斜的状态。这个新的垂直线代替了乘客们原来的垂直线。因此所有原来竖直的东西对于乘客来说都变成倾斜的了。

垂直线的新方向从中不难看出。字母P表示重力,字母R表示向心力,合力Q是乘客感觉到的重力。车厢内的所有物体都会朝这个方向偏斜过去。这个方向与垂直方向之间的夹角α可以用公式求出:tanα=R/P。力 R 是与 v2/r 成正比的,这里 v 表示火车速度,r 是转弯处的曲率半径,力 P 与重力加速度 g 成正比,因此tanα= v2/r :g= v2/rg 。

设火车速度是 18 米/秒(65 千米/小时),转弯处半径是 600 米,那么:

tanα=  182≈0.055,由此得出 : α =3°

600×9.8,

我们不可避免地将这个“虚假的垂直” 看作是垂直的,而将真正的垂直方向误看成是3°的倾斜。火车行进在弯道极多的地方时,旅客有时会觉得四周垂直的景物偏斜了   10°

要使火车在转弯时保持平稳,在转弯处外边一侧的铁轨应该铺设得比里面一侧的铁轨高些,高出的数量应根据新的垂直方向而定。比如,刚才谈到的那个转弯处外边一侧的铁轨   A 应该高出 h,这个 h 应该适合下面的式子  h   =sinα  

                                 AB        

式子中的AB是轨距大约等于 15 :sinα=sin3°=0.052

于是 :    h =AB ×sinα=1500 × 0.052 毫米≈80 毫米

这就是说,外边一侧的铁轨应该铺设得比里边一侧的铁轨高出   80 毫米。显然,这个数值只适合于一定的行车速度,它不能因车速改变而改变。因此在修建铁路的弯道时一般是根据最常见的行车速度来设计的。

失 重 现 象

“把盛水的器具抡起旋转,水不会洒出,即使器具底朝上时也是如此,这是由于旋转的作用”,   两千年前亚里士多德这样写道。这种情景想必大家都不会感到陌生:当水桶达到一定的转速时,即使处于底朝上的位置时,水也不会泼出来。

人们通常是用“离心力”的作用来解释这种现象的。这种力被想象为一种施加到物体上的,在它作用下物体脱离旋转轴心的力。其实这种力并不存在:物体脱离旋转轴心,不过是惯性的表现,而一切惯性引起的运动是没有力的参与的。在物理学中,离心力是指旋转的物体对系线的拉力或压在其曲线轨道的实在的力量。这种力施加的对象并非运动的物体,而是阻止物体做直线运动的障碍物——拉线和拐弯处的轨道等。

摒弃了关于离心力似是而非的概念, 让我们来探究一下水桶旋转时什么发生这种现象。我们先向自己提出这样一个问题:如果在桶壁上开一个孔,桶中的水流会涌向何方?假如没有重力,水流会在惯性的作用下说圆周AB的切线AK   涌出。但水流本身有重量,于是,在重力的作用下会沿一条曲线(抛物线)AP 跌落。如果圆周速度达到一定数值 , 这条曲线就会处于圆周 AB 的外围。这股水流显示出   , 盛在旋转的桶中的水 , 如果没有桶壁的阻隔会有什么样的运动轨迹。现在已经得知 , 水决不会竖直流下 , 因而就不会从桶内洒下。水只在一种情况下从桶里流出   , 那就是桶口朝向与旋转方向相同。

现在您计算一下 , 在这个实验中水桶需要多大的转速水才不至从中洒出。这个速度应在旋转术桶的向心力日速度不小于重力加速度时获得。因   为只有这时才会使涌出来的水流的轨迹落在水桶运动圆周轨迹的外围,这样,水桶无论转到什么位置,水也不会从桶里洒出。计算向心加速度 V 的公式是 :

V2

W =   ——

            R

公式中的 V 为圆周速度 ,R   为圆形轨迹的半径。因为地球表面的重力加速度 g =9.8 米 / 秒   2, 所以我们就得出下列不等式 :

V2

    —— 9.8

     R

R=70 厘米 , 则V≥/0.7 × 9.8 米 / 秒 =2.6 米 / 秒

很容易算出,只要我们牵绳的手每秒转约三分之二圈,就可得到这种圆周速度了,这对我们来说是轻而易举的事,因而这个实验可以顺利完成。

当容器绕水平轴转动时,液体会挤压在容壁上。离心浇铸技术利用的就是这种特性。其原理是:比重不均匀的液体会呈现出不同的层次。比重大的成分就远离旋转轴,比重小的成分会接近旋转轴。这样,金属溶液中含有的气体就会分离出来,散发到铸件中的空白处,避免了在铸件中形成气泡。用这种方法铸成的铸件比较密实,没有气泡。离心浇铸比普通的压铸成本低,也不需使用复杂的设备。

超声波及其应用
 
  人耳最高只能感觉到大约 20 000 Hz 的声波,频率更高的声波就是超声波了.超声波广泛地应用在多种技术中.
     
 超声波有两个特点,一个是能量大,一个是沿直线传播.它的应用就是按照这两个特点展开的.
     
 理论研究表明,在振幅相同的情况下,一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比.超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气的湿度.这就是超声波加湿器的原理.对于咽喉炎、气管炎等疾病,药力很难达到患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够增进疗效.利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎,金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事.如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波,清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢,能够很快清洗干净.
     
 俗话说隔墙有耳,这说明声波能够绕过障碍物.但是,波长越短,这种绕射现象越不明显,因此,超声波基本上是沿直线传播的,可以定向发射.如果渔船载有水下超声波发生器,它旋转着向各个方向发射超声波,超声波遇到鱼群会反射回来,渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了.这种仪器叫做声纳.声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇,测量海水的深度.
     
根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品,甚至水库大坝,检查内部是否有气泡、空洞和裂纹.
     
人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的,健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样.平常说的“B就是根据内脏反射的超声波进行造影,帮助医生分析体内的病变.
     
有趣的是,很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官.以昆虫为食的编幅,视觉很差,飞行中不断发出超声波的脉冲,依靠昆虫身体的反射波来发现食物.海豚也有完善的声纳系统,使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置.现代的无线电定位器——雷达,质量有几十、几百、几千千克,蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克,而在一些重要性能上,如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器.深入研究动物身上各种器官的功能和构造,将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备,这是近几十年来发展起来的一门新学科,叫做仿生学

教学反思







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