陶漢斌

（浙江省金華第一中學(xué)，浙江 金華 321015）

每年的高考物理壓軸題是我們關(guān)注的焦點(diǎn).近幾年的高考物理壓軸題，呈現(xiàn)了大量“原生態(tài)”的聯(lián)系生活、生產(chǎn)、科技、社會(huì)、環(huán)境的試題.這些試題有清新的STS氣息，立足物理本源，反映科技進(jìn)步，體現(xiàn)了從物理走向生活從生活走向物理的境界，突出考查學(xué)生對(duì)物理綜合問題的分析能力，尤其是對(duì)物理本源的考查，更是常考常新，非常精彩.本文就以2013年浙江省高考理綜物理壓軸題為背景，欣賞物理本源之美.

高考原題.為了降低潛艇噪音，提高其前進(jìn)速度，可用電磁推進(jìn)器替代螺旋槳.潛艇下方有左、右兩組推進(jìn)器，每組由6個(gè)相同的用絕緣材料制成的直線通道推進(jìn)器構(gòu)成，其原理示意圖如圖1.在直線通道內(nèi)充滿電阻率ρ＝0.2Ω·m的海水，通道中a×b×c＝0.3m×0.4m×0.3m的空間內(nèi)，存在由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝6.4T，方向垂直通道側(cè)面向外.磁場(chǎng)區(qū)域上、下方各有a×b＝0.3m×0.4m的金屬板 M、N，當(dāng)其與推進(jìn)器專用直流電源相連后，在兩板之間的海水中產(chǎn)生了從N到M，大小恒為I＝1.0×103A的電流，設(shè)電流只存在于磁場(chǎng)區(qū)域.不計(jì)電源內(nèi)阻及導(dǎo)線電阻，海水密度ρm＝1.0×103kg／m3.

圖1

（1）求一個(gè)直線通道推進(jìn)器內(nèi)磁場(chǎng)對(duì)通電海水的作用力大小，并判斷其方向.

（2）在不改變潛艇結(jié)構(gòu)的前提下，簡(jiǎn)述潛艇如何轉(zhuǎn)彎？如何倒車？

（3）當(dāng)潛艇以恒定速度v0＝30m／s前進(jìn)時(shí)，海水在出口處相對(duì)于推進(jìn)器的速度v＝34m／s，思考專用直流電源所提供的電功率如何分配，求出相應(yīng)功率的大小.

考情分析：此題以潛艇為背景，考查了物理的本源問題，這個(gè)物理本源就是力的觀點(diǎn)、能量與做功的觀點(diǎn).考生普遍感覺該題閱讀量和信息量大，讀題比較困難，更看不懂第3小題的物理本質(zhì)與內(nèi)涵.其實(shí)學(xué)生解題的過程就是從大量的文字信息中提取有效的解題信息，從觀察現(xiàn)象到回歸物理本源，構(gòu)建正確的物理模型.

該題中的最后一問，不僅要求學(xué)生能夠關(guān)注生活中觀察到的現(xiàn)象，還要能夠?qū)τ^察到的現(xiàn)象進(jìn)行思考，對(duì)物理本質(zhì)的問題進(jìn)行反思與探究，如潛艇勻速前進(jìn)時(shí)有哪些能量參與轉(zhuǎn)化？船尾滾滾噴出水的能量是誰提供的？海水切割磁感線產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)到哪里去了呢？下面就從物理本源的角度對(duì)第3小題中所涉及的問題進(jìn)行探討，請(qǐng)同行批評(píng)與指正.

1 能量守恒的觀點(diǎn)——觀察現(xiàn)象整體把握能的轉(zhuǎn)化與守恒定律

在生活中，學(xué)生們都見過各種交通工具勻速行駛的過程，如地面上勻速行駛的汽車，高空中勻速飛行的飛機(jī)等等.我們可利用能的轉(zhuǎn)化與守恒定律從宏觀上把握潛艇行駛過程中所消耗的能量，突出運(yùn)用能量觀點(diǎn)從整體上把握問題的思維方式.潛艇在勻速行駛的過程中，必須消耗3部分能量.第1部分是焦耳熱功率，海水有一定的電阻，電流能過海水導(dǎo)體時(shí)要產(chǎn)生焦耳熱功率，這個(gè)學(xué)生們最容易理解；第2部分是潛艇的牽引功率，潛艇勻速行駛時(shí)受到牽引力的作用，這個(gè)牽引力其實(shí)是海水所受安培力的反作用力，牽引力克服海水阻力做功消耗的能量；第3部分是單位時(shí)間內(nèi)海水動(dòng)能的增加值，這部分能量是最容易忘記的，也是本小題的焦點(diǎn)問題.大家都知道潛艇在勻速行駛時(shí)，潛艇后面肯定會(huì)噴出一定量翻滾的海水，這部分海水應(yīng)該具有一定的動(dòng)能.當(dāng)然，這3部分能量最終是全部轉(zhuǎn)化為海水的內(nèi)能.具體解析如下.

直流電源提供的電功率第1部分：通過海水時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱功率為

電源提供的電功率第2部分：牽引功率為

根據(jù)牛頓第三定律牽引力F＝12BIc，解得

第3部分：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)海水動(dòng)能的增加值，設(shè)單位時(shí)間內(nèi)噴出海水的質(zhì)量為m，則

考慮到海水的初動(dòng)能為0，海水噴出時(shí)相對(duì)于地的速度為v′＝v－v0＝4m／s.則

解得 P3＝6ρmbcv′3＝0.4608×105W.

潛艇的總功率為P＝P1＋P2＋P3＝12I2R＋12BIcv0＋6ρmbcv′3＝6.74×106W.

2 反電動(dòng)勢(shì)的觀點(diǎn)——海水切割磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

直流電源所提供的恒定電流使海水受到安培力的作用，海水在安培力作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì).設(shè)本題中直流電源的電動(dòng)勢(shì)為E0，它是可變的電動(dòng)勢(shì)，海水產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)為E，如圖2所示.根據(jù)閉合電路歐姆定律有

圖2

從上式可知直流電源所提供的電功率E0I其中一部分轉(zhuǎn)化為焦耳熱功率，另一部分轉(zhuǎn)化為反電動(dòng)勢(shì)的功率.

通過海水時(shí)的焦耳熱功率為P＝12I2R＝6×106W.反電動(dòng)勢(shì)的功率為P′＝EI.

海水在安培力作用下切割磁場(chǎng)做勻加速運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于地面而言，海水的初速度為0，噴出時(shí)的末速為v′＝vv0＝4m／s.潛艇在勻速行駛，磁場(chǎng)也在以相同的速度v0勻速前進(jìn)，海水切割磁感線的速度應(yīng)該是相對(duì)于潛艇的速度.因此，海水相對(duì)于潛艇的初速度為v0，海水相對(duì)于潛艇的末速度為v，在這個(gè)過程中產(chǎn)生的平均反電動(dòng)勢(shì)為

因此反電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的功率為

如果我們?cè)偬骄恳幌路措妱?dòng)勢(shì)的本源，反電動(dòng)勢(shì)到底實(shí)現(xiàn)怎樣的能量轉(zhuǎn)化呢？其實(shí)反電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化是把直流電源提供的一部分能量成功地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（牽引潛艇的能量與海水增加的動(dòng)能），這就是反電勢(shì)的本源.我們也可從以下的數(shù)據(jù)上得到證實(shí).

潛艇的總功率為

3 安培力做功的觀點(diǎn)——安培力做功實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化

功是能量轉(zhuǎn)化的量度，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量問題——安培力做功實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化.安培力做正功，則電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能；安培力做負(fù)功，即克服安培力做功，則由其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能.安培力做功的數(shù)值與電能的變化量在數(shù)值上是相等的.在此題的情景中海水受到安培力的作用，安培力對(duì)海水做正功，海水在安培力作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，安培力對(duì)海水所做的功為

安培力對(duì)潛艇所做的功為

這一對(duì)安培力做功之和為

在單位時(shí)間內(nèi)這一對(duì)安培力所做的功為

安培力做正功，說明把直流電源提供的電能一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（牽引潛艇的能量與海水增加的動(dòng)能）.

同理，我們可求出直流電源通過海水導(dǎo)體時(shí)的焦耳熱功率為PR＝12I2R＝6×106W.

潛艇的總功率為

教學(xué)反思：回歸物理本源就是回歸力的觀點(diǎn)、能量與做功的觀點(diǎn).從上面的解題中我們可以看到，直流電源提供的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的那部分能量就是反電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的能量，也就是安培力對(duì)系統(tǒng)所做的總功，這種一一對(duì)應(yīng)的等量關(guān)系，決不是一種巧合，而是真正體現(xiàn)了物理的本源問題.

以實(shí)際生活問題為物理情境，以高中物理知識(shí)為闡釋基礎(chǔ)的立意命題，在近幾年高考中閃亮登場(chǎng)，也必將是新課程背景下高考命題的熱點(diǎn).這些試題要求學(xué)生在領(lǐng)會(huì)題意的基礎(chǔ)上，對(duì)題給信息進(jìn)行分析判斷，有效提取題目中構(gòu)成物理問題的本質(zhì)要素，把題給問題與熟悉的物理知識(shí)聯(lián)系起來，把實(shí)際問題簡(jiǎn)化、抽象為恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，用學(xué)過的知識(shí)和方法對(duì)問題給予解決.其實(shí)這些原生態(tài)的場(chǎng)景中所涉及的是最基本的物理模型，在高三的復(fù)習(xí)教學(xué)過程中，我們要引導(dǎo)學(xué)生從觀察現(xiàn)象到回歸物理的本源——力與能量，這是復(fù)習(xí)的方向與策略，正所謂“回歸本源應(yīng)對(duì)考題，千題萬題源于母題”.