高中物理容易忽视的若干疑难问题剖析，本文主要内容关键词为：疑难问题论文,高中物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、汽车进出站鸣笛时的多普勒效应
不少人认为汽车进站时鸣笛，观察者听到的声音音调变高；出站时鸣笛，观察者听到的音调变低，并以为这种现象就是多普勒效应，其实这是不加深入思考的肤浅片面认识。人所共知，由于波源与观察者之间的相对运动，使得观察者感到频率发生变化的现象，叫做多普勒效应。这里的“观察者感到频率发生变化”，当然是指观察者耳朵接收到的声音频率与波源频率不同的情况。
特别值得注意的是观察者是否感觉到音调的变化，只是取决于观察者耳朵接收到的声音频率，而不是声音响度。事实上汽车进站时由于跟观察者越来越近，观察者听到汽笛声的响度就会越来越大，此时观察者容易把响度的变大误认为是音调升高了。而汽车出站时由于离观察者越来越远，观察者听到的汽笛声响度越来越小，观察者也就容易把响度变小误认为音调变低了。这种观察者的感观错觉可以说是根深蒂固，所以一定要在充分理解的基础上剔除这种似是而非的错误认识。
比如，当汽车匀速向观察者行驶时，究竟在什么时刻，观察者才会感到音调的变化呢？其实只有当汽车朝不动的观察者匀速行驶过来并从观察者所在位置一闪而过后又匀速驶离观察者的瞬间，观察者接收到的频率才会从大于波源频率突然变为小于波源频率，这时观察者才会感觉到音调由高到低的瞬时变化，而任何其他时刻都不会感觉到音调的这种瞬时变化。“汽车从观察者所在位置一闪而过的瞬间”是观察者接收频率突变的转折时刻。因为实际情况是，当汽车朝不动的观察者匀速行驶过来时，由公式
可知，这个过程的这段时间内观察者接收到的频率将大于波源频率且是一个定值，观察者当然不会感到音调变高；同理，当汽车匀速驶离观察者时，由公式可知，这个过程的这段时间内观察者接收到的频率小于波源频率，而且也是一个定值，观察者同样不会感到音调变化。
如果跟上面的情况不同，当汽车减速进站并朝不动的观察者行驶过来时，由公式可知，观察者接收到的频率逐渐在减小，应该感到音调逐渐变低；而当汽车加速驶离观察者出站时，由公式可知，不动的观察者接收到的频率也在不断减小，同样应该感到音调在不断变低；另一种情况是，汽车鸣笛加速朝观察者进站而后减速驶离观察者出站，观察者接收到的频率一直在加大，均应感到音调变高。但这两种情况下，也都是只有在汽车从不动的观察者所在位置一闪而过的瞬间，观察者接收频率才会从大于波源频率突然变为小于波源频率，或小于波源频率突然变为大于波源频率，观察者才会感到音调从高到低或从低到高的瞬时变化。当然如果汽车是一直加速进出站或汽车是一直减速进出站，那情况又不同了，根据前面分析方法同样容易得出的正确结论。
二、缝衣针在水面“漂浮”现象的正确理解
涂有少量油的缝衣针可以“漂浮”在水面上。这是为什么呢？原来水对涂了油的缝衣针是不浸润的，所以缝衣针所接触的水表面层就具有收缩趋势，随着水与缝衣针接触面积的减小，缝衣针附近水面也就呈现弯月状。于是有人认为，在缝衣针与水面接触处，如图1所示，缝衣针是受到弯月水面表面张力f的作用，而且表面张力f的竖直分力与缝衣针重力保持平衡，所以缝衣针也才可以“漂浮”在水面上。对此也有人认为，在缝衣针与水面接触处，缝衣针受到弯月水面对它向上的弹力且与缝衣针重力互相平衡，缝衣针才会“漂浮”在水面上。显然前一种观点是错误的，后一种才是正确的解释。
所谓表面张力是指存在于液体表面层内，使表面积缩小的一种相互作用力。显然，表面张力是液体表面层内相互作用的力，而不是液体表面层对其他物体的作用力，当然也就不能说缝衣针是受到弯月水面表面张力的作用。可以先以被缝衣针压弯的弯月水面(AB)为研究对象，f表示弯月水面受到的表面张力，N表示缝衣针对弯月水面的作用力，弯月水面受力情况如图3所示处于平衡状态，此时弯月水面的重力以及弯月水面以下的水对它向上的作用力此时均可以忽略不计。再以缝衣针为研究对象，如图4所示，缝衣针重力G和弯月水面对缝衣针向上的弹力N′，毫无疑问，缝衣针是受到G和N′两个力的作用而平衡的。
另外，还有人误以为缝衣针之所以能够“漂浮”在水面上是由于受到水对它的浮力和重力的作用从而处于平衡状态的。其实所谓缝衣针“漂浮”在水面上是一种假象，缝衣针根本就没有浸入水中，只是被水的表面层挡住而已，如图2所示。如果缝衣针没有涂上油，放在水的表面时可能很容易就会被浸湿，托住针下半部的表面层也就破裂了，缝衣针就会浸在水的内部，此时水的表面层就只存在于缝衣针的上半部，缝衣针就会在水表面张力和重力的共同作用下被拉入水中，缝衣针将下沉且只受水的浮力和自身重力的作用。
与此同时，要注意防止将液体表面张力与浮力等同起来混为一谈。实际上，虽然液体表面张力与浮力都是以力作用效果来命名的，却有着本质不同。液体的浮力是指液体里的物体受到液体向上托的力，而液体表面张力是指液面各部分间相互吸引的力。前者产生的原因是液体对物体向上和向下的压力差，后者是液体表面层内分子间距离大于液体内部分子间距离，表面层内分子间引力大于斥力而表现出的分子引力。而液体浮力产生的条件是物体必须浸在液体中，表面张力产生的条件是物体下侧液体表面层没有破裂，即不能浸入液体中；特别是浮力可以存在于液体内部任何地方且方向永远竖直向上，表面张力却只能存在于液体表面且方向跟液面相切；而且两者作用效果也大不相同，浮力可以使物体在液体中处于是上浮、漂浮和下沉状态，表面张力则是促使液体表面收缩到最小的趋势；荷叶上滚圆的小水珠就是例证。
三、像的观察范围与眼睛的观察范围
像的观察范围与眼睛的观察范围是两个不同的概念。所谓像的观察范围是指某点或组成物体的其上各点（视为广义的点光源），发出的光线经各种面镜反射或通过各类透镜折射后，所能共同到达的那部分空间区域，在这个空间区域内的任何地方眼睛都可以看到像；而眼睛的观察范围是指眼睛在某一位置不动，经各种面镜或透过各种透镜，视力所能到达的那部分空间区域；二者显然大相径庭。为了简便起见，像的观察范围和眼睛的观察范围经常作出平面图加以说明；但需要特别注意的是，在这种情况下，所画出的区域指的均是空间区域，只是通常由于空间方面几何光学的问题较为复杂，一般教学过程中往往不加深究。
1.作像的观察范围简易方法
(1)通过作图或计算得出像的位置；
(2)利用所得的像作出光具的两条边界的反射光线或折射光线，这两条光线所包围的那部分区域就是像的观察范围，当然在此范围内，眼睛随处均可看到完整的像。下列图5、图6为像的观察范围例子。
2.作眼睛观察范围的简易方法
(1)通过作图或计算得出眼睛像点的位置（可将眼睛视为物点）；
(2)通过眼睛像点作出光具的两条边界的入射光线，这两条边界入射光线所包围的区域，就是眼睛的观察范围。眼睛在某一位置不动视力所能及的范围也称为视场。下列图7、图8、图9、图10为眼睛的观察范围例子。
以上所述像的观察范围与眼睛的观察范围的作图方法，是方便解题的简易处理方法；严格意义上说并不十分科学，但只要不是题目特别要求作出规范的光路图，这样做是完全可行的。
四、光学仪器上增透膜实现“增透”的原理
中学物理教学中有关增透膜问题引起了不少学生理解上的困难。所谓增透膜就是在光学仪器的镜面上镀上一层厚度均匀的透明薄膜（常用氟化镁
，折射率1.38，介于玻璃与空气之间），利用薄膜干涉使反射光减到最小，从而实现增加透射光能量的目的。二十世纪三十年代发现的这种增透膜，在所有光学薄膜中起到最重要的技术推动作用。
图11
光学仪器上的增透膜究竟是怎样实现光的“增透”呢？如图11所示，原来光从镀上一层厚度均匀透明薄膜的镜面上方入射，经过膜上表面的反射光1和经过膜下表面的反射光2发生了干涉。设膜厚度为e，光在膜中的波长为λ。入射光在膜上表面发生反射时，由于是从空气（光疏介质）进入膜（光密介质），肯定要发生半波损失；而光进入膜中后经膜下表面反射时，是从膜（光疏介质）进入玻璃（光密介质），同样也要发生半波损失；因此经过膜上表面和下表面反射的反射光都是发生了半波损失，这样就不必考虑半波损失了。当入射光线入射角很小可近似视为0°时，反射光1和2的波程差为δ=2e且
由能量守恒可知，此时由于反射光能量减弱，则透射光能量增强，从而达到增强透射光的目的。显然膜的厚度必须满足
，这样膜的最小厚度应为
。当然，如果是单色光射向镜头且增透膜厚度等于该种色光在增透膜中波长的四分之一时，那么在镜头前将看不到此种单色光的反光，因为这种色光已全部通过该镜头。显而易见，由于可见光有七种颜色且不同色光波长不同，要分别通过镜头就需要不同厚度的增透膜，而某个光学仪器上的增透膜厚度却是固定和唯一的，所以只能照顾一种色光全部通过。因此，固定的一层膜只能增强某种色光；而绿光对人眼刺激作用最强，一般情况下都是让绿光全部进入镜头。在图11中光从镀膜的镜面上侧射向下侧，绿光在上侧表面相互减弱，甚至于在镜头的反射光中几乎没有绿光。鉴于此，诸如眼镜、照相机、显微镜等镜面都镀上绿光增透膜。绿光增透膜可以使绿光反射大大减弱，经过此膜反射而产生的反射光，就是一些与绿光波长相差比较多的红光和紫光，且由这两种光叠加形成淡紫色，在这种情况下，可见光中看到的镜头反光颜色就是淡紫色。当然如前所述，不同厚度的膜决定了不同色光的透射增强功能。比如，太阳能热水器真空管镀的就是红光增透膜，此时的红光增透膜与绿光增透膜的厚度自然不同。