力学知识在日常生产、生活和现代科技中应用非常广泛,主要有:(1)体育运动方面,如跳高、跳水、体操、铅球、标枪等;(2)天体物理方面,如天体的运行、一些星体的发现、人类的太空活动等;(3)交通安全方面,汽车制动、安全距离、限速等。
由上述题材形成的实际问题,立意新,情景活,对学生获取信息的能力、分析理解能力、空间想象能力等有较高的要求;同时对学生学科基础知识的掌握程度也是一个考验。
解这类问题与解其他物理问题的不同之处在于,首先要把实际问题转化为物理问题。这也是这类问题使一部分学生感到困难的原因。为实现这一转化,应重视以下几点:
1.从最基本的概念、规律和方法出发考虑问题。以实际情景立意的题目,往往不落俗套,不同于常见题型,由“题海”中总结出来的套路一般很难应用。这时从最基本的概念、规律和方法出发分析、思考才是正途。这也正是命题者的匠心所在。
2.要分析实际现象的空间、时间特征。力学问题总与时间和空间有关,从空间上,要关注场景的细节,正确把握力的特征;从时间上,要分析实际现象如何一步一步演变,把这个演变的过程和典型的物理过程相对照,寻求转化。
3.要提出疑问,并探求结果的意义。面对题目给出的实际现象,应能抓住现象的本质特征,找出原因、原因的原因……,抓住了这串因果链,实际上就是找到了解题思路,向物理问题的转化也就自然实现了。
4.要画示意图,而且要选好角度。这可以大大降低思考的难度,尤其对于空间想象能力要求较高的题目。
例题1.(天体物理研究)天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度远离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(称为退行速度)越大;也就是说,宇宙在膨胀,不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比,即v=Hr,式中H为一恒量,称为哈勃常数,已由天文观测测定。为解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个爆炸的大火球开始形成的,大爆炸后各星体即以各自不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心。由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算式为T=。根据近期观测,哈勃常数H=3×10-2m/s·光年,由此估算宇宙的年龄约为年。
解析:本题涉及关于宇宙形成的大爆炸理论,是天体物理学研究的前沿内容,背景材料非常新颖,题中还给出了不少信息。题目描述的现象是:所有星体都在离我们而去,而且越远的速度越大。提供的一种理论是:宇宙是一个大火球爆炸形成的,爆炸后产生的星体向各个方向匀速运动。如何用该理论解释呈现的现象?可以想一想:各星体原来同在一处,现在为什么有的星体远,有的星体近?显然是由于速度大的走得远,速度小的走的近。所以距离远是由于速度大,v=Hr只是表示v与r的数量关系,并非表示速度大是由于距离远。
对任一星体,设速度为v,现在距我们为r,则该星体运动r这一过程的时间T即为所要求的宇宙年龄,T=r/v
将题给条件v=Hr代入上式得宇宙年龄 T=1/H
将哈勃常数H=3×10-2m/s·光年代入上式,得T=1010年。
点评:有不少学生遇到这类完全陌生的、很前沿的试题,对自己缺乏信心,认为这样的问题自己从来没见过,老师也从来没有讲过,不可能做出来,因而采取放弃的态度。其实只要静下心来,进入题目的情景中去,所用的物理知识却是非常简单的。这类题搞清其中的因果关系是解题的关键。
例题2.(2002年高考全国理科综合题)(蹦床中网对运动员的作用力)蹦床是运动员在一张绷紧的弹性网上蹦跳、翻滚并做各种空中动作的运动项目,一个质量为60kg的运动员,从离水平网面3.2m高处自由下落,着网后沿竖直方向蹦回到离水平网面5.0m高处。已知运动员与网接触的时间为1.2s,若把在这段时间内网对运动员的作用力当作恒力处理,求此力的大小(g=10m/s2)