从实际问题中学习物理——来自公开媒体中的物理问题，本文主要内容关键词为：物理论文,实际问题论文,媒体论文，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。
在许多公开媒体中，比如报纸杂志、广播电视等，有着很多物理问题。这些物理问题有些是来源于日常生活，有些则是物理基本原理和知识在生活、工业、军事等领域内的应用。
如果教师在课堂上讲述有关内容时能适当地引入一些来自于公开媒体中的相关物理问题，不但能激发学生的学习兴趣和求知欲，考查学生对物理过程的理解是否全面、完整，而且还能提高学生的分析能力和观察能力，引导学生自觉地进行课外阅读、汲取新知识，进而进一步培养学生应用知识和创造性地解决问题的能力。
鉴于这方面的考虑，笔者在此将自己平时积累的部分资料写成这篇文章，以期能得到广大同仁的指正。
问题1 据2006年9月12日的搜狐网报道，9月10日傍晚，南航一架飞行于昆明—长沙—义乌之间的波音737飞机在2000米高空飞行，9分钟后将在黄花机场降落。突然，一只小鸟撞上了飞机，小鸟当场粉身碎骨，飞机机翼受损严重……
分析与讨论 飞机与鸟相撞的事件时有发生，但是为何一架大飞机竟然经不住一只小鸟的冲击，有时甚至会造成机毁人亡的惨剧呢？事实上，由于飞机的速度很快，在与鸟等飞行物在空中相撞时，冲击的时间短，冲击力是相当大的，如果撞到飞机的发动机等关键部位，就可能造成各种重大事故。这个问题可以从下面的一个例题来说明。
相关例题 一架战斗机飞行时与一只滞留在空中的秃鹰相撞，若战斗机的飞行速度为800m／s，秃鹰质量为5kg，身长0.5m，在相撞过程中，秃鹰被全部撞扁在机头上，则它们之间的平均冲击力大约为
分析与解答 此为一道估算题，在相撞时，秃鹰相对于飞机的运动近似地视为匀变速运动，所以可以用牛顿第二定律来解决。平均冲击力
为：
分析与解答 如果单位时间内有N个光子打到单位面积上，反射率为η，则在Δt时间内有NΔt（1－η）个光子被吸收，单位面积上被吸收的光子所产生的冲击力为
同时Δt时间内有NΔtη个光子被反射，所以单位面积上被反射的光子所产生的冲击力为
从而单位面积上总的作用力为
由题意每秒钟内打到地球表面单位面积上的能量为
Nhv＝1400×1＝1400（J），
所以单位面积上冲击力为：
。
问题2 据中国青年报1999年9月16日报道：9月14日，希腊外交部常务副外长扬诺斯·克拉尼季奥蒂斯乘坐的一架飞机从首都雅典飞往罗马尼亚布加勒斯特发途中遭遇气流后垂直俯冲，结果造成飞机上6人死亡，其中包括副外长本人。
又据新浪网2006年11月17日报道，韩国时间11月16日上午11：20，台湾远东航空公司306号班机因气流异常紧急迫降韩国济州机场，迫降中造成25人受伤，其中23人为台湾人民，2名为韩国人。
分析与讨论 飞机在空中遭遇到气流特别是垂直气流，如果没有系安全带的话，对乘员将是非常危险的事。那么这种危害是如何造成的并且是怎样造成的呢？可以从下面例题来说明。
相关例题 据报道，一架客机在正常航线作水平飞行时，由于突然受到强大垂直气流的作用，使得飞机在10s内下降高度为1700m，造成众多乘客和机组人员的伤害事故。如果只研究飞机在竖直方向上的运动，且假设这一运动是匀变速直线运动。试计算：（1）飞机在竖直方向上产生的加速度多大？（2）乘客所系安全带必须提供相当于乘客体重几倍的拉力，才能使乘客不脱离坐椅？（g取10m／s[2]）
分析与解答 （1）由题意，飞机在竖直方向上可视为初速为零的匀加速直线运动，有
（2）从a＝34m／s[2]＞g可知，乘客受到安全带的作用力F向下，根据牛顿第二定律得F＋mg＝ma，所以
F＝m（a－g）＝24m＝2.4mg
拓展问题 （1）在上面的例题中未系安全带的乘客，相对于机舱将向什么方向运动？最可能受到伤害的是人体的什么部位？（2）由此判断，在日常生活中我们在乘坐飞机时应注意什么问题？
分析与解答 （1）显然，对于未系安全带的乘客来说，他们的向下加速度小于飞机的加速度，故相对于飞机向上运动，这样最可能受到伤害的是人体的头部和颈部。（2）由此，我们在乘坐飞机时一定要遵守机上规定，按照乘务员的要求在必要的时候系上安全带，不得随意走动等。
问题3 2005年10月12日，中央电视台直播的神舟六号飞船的发射现场传来播音员激动的声音：
8时54分：北京航天飞控中心通报点火时间：9时0分0秒。
8时59分：火箭发射进入一分钟准备。50秒、30秒、20、10、9……
9时0分0秒：发射神舟六号飞船的长征二号F型运载火箭点火成功。
9时0分5秒：长征二号F型运载火箭托举着神舟六号载人飞船顺利升空。
9时0分12秒：点火后第12秒，火箭向东稍偏南的方向实施程序拐弯。
……
9时12分：神舟六号飞船进入位于太平洋上远望一号测量船测控弧段时，航天员报告“太阳帆板展开，身体感觉良好”。北京航天飞控中心宣布：飞船正常入轨。
……
9时32分：神舟六号飞船进入位于太平洋上的远望二号测控弧段，以后飞船将陆续进入印度洋、大西洋预定海域的远望三号、远望四号测控弧段。
9时39分：中国载人航天工程总指挥陈炳德宣布：“神舟六号载人飞船发射取得圆满成功。”
……
分析与讨论 这是一段我们在神舟六号成功发射时听到过的实况报道，但是如果我们仔细分析，就可以知道飞船的飞行实际上是有特定方向的。从“9时0分12秒：点火后第12秒，火箭向东稍偏南的方向实施程序拐弯。”和“9时32分：神舟六号进入位于太平洋上的远望二号测控弧段，以后飞船将陆续进入印度洋、大西洋预定海域的远望三号、远望四号测控弧段。”这两句话，我们就可以知道神舟飞船的发射时的飞行轨迹是由东向西，实际上这也是大多数卫星和其他人造天体发射时的运动轨迹。之所以这样发射是因为可以利用地球的自转来节约发射能量。
从下面的相关问题我们可以进一步了解为什么卫星和其他人造天体发射时的运行发现一般都是由东向西的。
相关例题在我国西昌卫星发射中心发射一颗地球同步卫星，火箭发射后先竖直上升一段时间，随后调整姿态，开始向某个方向倾斜上升，这个方向是
（A）东南方向 （B）西南方向
（C）东北方向 （D）西北方向
分析与解答由于卫星飞行方向是由东向西，而同步卫星轨道又在赤道上空，所以答案应选（A）
拓展问题 据《环球时报》2007年2月9日的文章报道，中国可能选定海南岛作为一个新的卫星发射中心的基地，从而使得海南可能成为中国继四川的西昌、甘肃的酒泉和山西的太原之后的第四个卫星发射中心……
由上述报道回答下列问题：（1）从物理和安全的角度，写出两个把海南岛作为新的卫星发射中心的有利之处；（2）假如近似地认为甘肃的酒泉位于北纬40°，海南位于北纬20°处，地球半径R为6400km，卫星发射的速度近似地取为第一宇宙速度7900m／s，试估算一下同样发射一颗质量为1000kg的卫星，在海南地区发射比在酒泉地区发射可以节约多少能量？
分析与解答 （1）相对于中国其他几个卫星发射中心由于海南比较靠近赤道，这样可以更进一步地利用地球自转，节约发射能量，这样火箭的推动效率可以更高；同时由于另外几个卫星发射中心处于内地，人口密度高，万一发射出现故障，火箭下落容易造成当地居民受伤，而海南岛由于临海则可以避免这个问题。
（2）在卫星发射时，发射的速度至少为第一宇宙速度7900m／s才能使得卫星升空。但是这个速度是相对于地心的速度，如果利用地球的自转，由东向西发射，发射同样一颗卫星，就可以节约发射能量。
如果在酒泉地区发生一颗卫星，相对于地面的发射速度为：
利用地球自转后，发射一颗质量为1000kg的人造卫星发射能量为：
同样地，在海南地区发射一颗卫星，相对于地面的发射速度为：
发射一颗质量为1000kg的人造卫星发射能量为：
从而海南地区发射同一颗卫星相对于酒泉地区可以节约的能量约为
ΔE＝E[,2]－E[,1]＝3.36×10[9]－2.75×10[9]≈6.1×10[8]（J）
由此可见，越近赤道，越是节约发射能量。一般我国同步卫星都是在西昌发射中心发射而不是在太原或酒泉发射中心发射，法国的卫星发射场建在赤道附近的法属圭亚那而不是法国本土，道理就在于此。
问题4 2005年10月12日，在神舟六号成功发射之后几天的节目中，中央电视台的直播主持人数次提到，在凌晨或者是天刚黑的一段时间内，当神舟六号经过我们所在的城市上空时，我们用望远镜就可以看见它。
分析与讨论 人造天体在一般情况下由于体积太小、飞行高度过高等原因很难被肉眼看见。但是在特定的条件下，借助望远镜等工具，我们用肉眼可以直接看见他们。那么我们在什么时候、什么情况下才可以看到人造天体呢？从下面的问题我们进一步地了解这一点。
相关例题 一架飞机正在离开赤道h＝10km的上空由西向东飞行，飞机上的一个乘客恰好看见日出，那么此时在飞机正下方地面上的一人还要经过多长时间才能看见日出？（地球半径R＝6400km）
分析与解答 如图1，飞机此时正在图1（a）中的A点，太阳光从很远地方射来，近似地可以看作为平行光。当阳光从切线射到飞机所在地A点时，飞机上的乘客恰好看见日出。
图1
而此时飞机正下方地面上的人由于处于未被照亮的地球的背面，所以还不能看见日出。只有当他随着地球一起自转到图1（b）中的B′点时才能看见日出。所以
，而
，
求得：t≈13（min）
相关例题 如图2，A是地面上的一个人所在的位置，B为神舟六号发射后围绕地球飞行时的位置示意图。那么在这四个不同的位置，人借助望远镜最有可能看见神舟六号的是图中的哪一个？
分析与解答 图2（A）中和（B）中人和神舟六号所处的位置使得人不能看见神舟六号。而在（D）中虽然人和神舟六号都处于阳光照射中，但是此时背景光很强，相对来说神舟六号反射的光不容易被发现。所以最有可能看见的是（C）中的情形，此时人处于黑夜，而神舟六号仍处于阳光中，在黑暗的背景中最容易被看到。
图2
问题5 2003年11月27日，《解放日报》报道：美军在阿富汗战争中追寻本·拉丹时，由于本·拉丹是隐藏在山洞里的，很难被发现。这些山洞出于战争目的被挖的很大，里面储藏了许多战备物资并且有着完整的生活设施……为了查找在哪些山下面可能有巨大的洞穴，美军采用了一系列高科技的手段。其中一种方法就是让飞机贴着山顶飞过，如果山下有巨大洞穴，那么飞机里真空管中的小球就会下落得慢一些……
分析与讨论 有些所谓的高科技手段，实际上是我们高中生已经掌握了的知识，其关键在于能否把所学的知识应用到实际领域中去，这就需要老师首先能及时关注相关信息，并引导学生注重对知识的创造性地应用，而不仅仅是简单地传授知识。在上述报道中美军追寻本·拉丹时所运用的方法，就是来源于下面的与引力有关的知识。
相关例题 将单摆从海拔较低的平原移至高山顶上，若摆长不变，但其振动周期却变小，可能的情况是：
（A）高原下有岩洞 （B）高原下有重金属
（C）地势升高的结果 （D）气压减小的缘故
分析与解答 正常情况下单摆从海拔较低的平原移至高山顶上，其周期应当变大。但在密度较大矿石附近地区，物体的重力要比周围地区稍大些，从而造成单摆周期反而变小。所以答案应选（B）。
实际上这种方式也是重力探矿的基本方法之一。
拓展问题
（1）在中国四川某地，当地平原地区的重力加速度为9.793m／s[2]，在一座经过精确测量高度为3500m的山顶上，测量出重力加速度为9.761m／s[2]，如果地球认为是均匀的，半径为6370km，试通过计算分析造成这一结果的可能原因？
（2）在上述报道里美军追寻本·拉丹时所运用的方法中为什么小球必须放在真空管中？
分析与解答 这是一个开放性的问题，答案并不唯一。若把地球近似看作各层质量均匀分布的、半径为R、质量为M的球体，则地面上一个质量为m的物体与地球之间的万有引力的大小可以表示为
，物体因受到地球的引力而获得加速度，这个加速度就是重力加速度g，根据牛顿第二定律，应有F＝mg由以上两式可得
。
同理可以推得在高度h的山顶上的重力加速度g′的表达式为
，这样
，由所给数据，当地山顶上的重力加速度应为：
现在测量值为9.761m／s[2]，明显偏小，说明山的内部可能有巨大的溶洞，或者可能有天然气等密度较小物质。
（2）如果山的内部有巨大的洞穴，确实会造成山顶的重力加速度变小，但是这种变化还是很微小的，如果有空气阻力，有洞穴引起的加速度变化就有可能被掩盖，造成无法正确判断引起加速度变小的原因。所以在上述测量中，必须把小球放在真空管中。
问题6 著名作家丹·布朗在他的小说《数字城堡》里写到：“在未来的战争中，科学家设想可以利用微型机器人进入敌人区域窃取有用情报。这类微型机器人很小，通过遥控可以进入敌人的会议室、作战室等重要部门并且很难被人发现。它不需要消耗很多能量，在需要补充能量的时候只要在能够辐射电磁波的物体比如工作着的计算机、打开着的电灯等物体周围的一定距离内待上几分钟，通过其表面光电转换板进行充电，就能满足一段时间的工作需要……”
分析与讨论 有些物理现象由于涉及生活实际中的问题，在解决这些问题时，必须选择合理的理想化模型来代替实际的研究对象，突出主要矛盾，忽略次要因素，采用近似手段来进行估算。上述问题中微型机器人的充电问题就涉及这样一个物理模型。
相关例题 如果一个功率为100W的灯，发出的是波长为6000×10[－10]m的单色光，那么在以灯为球心，离灯距离为10m的球面上，在光的传播方向上单位面积上每秒钟接收到的光子数为多少个？
分析与解答 灯在1秒钟内发出的光子数为：
灯发出的光子是向四面八方均匀辐射，这样我们可以建立一个物理模型，以灯为球心，半径为R的球面的总面积S＝4πR[2]，则在光的传播方向上单位面积上每秒钟接收到的光子数为：
。
拓展问题 如果在问题（6）中这个微型机器人的光电板的有效面积为0.2cm[2]，光电板的转化效率为25％，一个工作着的计算机主机辐射功率为100W，它在离开主机2米的地方充电20分钟，就能连续工作两个小时，那么该微型机器人工作时的平均功率大概为多少瓦？
分析与解答 利用上述模型可以求得微型机器人的平均功率约为1.66×10[－6]（W）。
问题7 据2006年10月28日的《新民晚报》报道：随着越来越高的摩天大楼在世界各地落成，至今普遍使用的钢索悬挂式电梯已经渐渐地不适用了。由于钢索本身的长度和重量也随着楼层的增加而相应地增加，这样这些钢索会由于承受不了自身的重量，还没有挂电梯就会被扯断。为此，德国科学家正在研究用磁动力来解决这一问题……
分析与讨论 磁动力电梯的基本原理与磁悬浮列车的原理是一样的，只不过磁悬浮列车产生的是水平向前的拉力，而磁动力电梯需要产生的是向上的牵引力。与普通电梯所不同的是这种磁动力电梯不需要钢索，所以它提升的高度可以说是无限的。同时与普通电梯相比它还有可以同时设置多个轿厢、节约占地面积等优点。
相关例题 如图3，水平面上有两根很长的平行直导轨，导轨间有竖直（垂直纸面）方向等距离间隔的匀强磁场
和
，导轨上有金属框A，框的宽度与磁场间隔相等，当匀强磁场和同时以恒定速度v[,0]沿平行于直轨方向运动时，金属框也会因此沿直导轨运动，这是一类磁悬浮列车运行的原理。如果金属框下始终有这样运动的磁场，金属框就会一直运动下去。设金属框垂直导轨的边长为L＝0.2m、电阻为R＝1.6Ω，＝＝1T，磁场运动速度v[,0]＝4m／s。求：
（1）若匀强磁场的方向如图3所示，为使金属框运动，则左端的方向和金属框运动的方向各是什么方向？
图3
（2）若金属框运动时受到恒定的阻力f＝0.1N作用时，求金属框的最大速度。
分析与解答：
（1）如果的方向是向里的，金属框中将没有磁通量的变化，金属框就不会运动。所以为了使金属框运动，方向必然是垂直纸面向外。当磁场向左边运动时，金属框中就会有磁通量的变化，为阻止这种变化，金属框中会产生感应电流，由此产生的安培力方向向左，带动金属框也向左运动。
（2）在刚开始运动阶段，金属框做加速度减小、速度增大的变加速运动。当金属框达到最大速度时，金属框所受的安培力与其受到的阻力平衡，设其最大速度为v[,1]，感应电流大小为：
金属框所受的安培力大小为，
速度达最大时，F＝f
因为
即
求得：v[,1]＝3m／s。
若把这个问题中的轨道转化为竖直向上方向，金属框固定在电梯轿厢上，就可以成为一类磁动力电梯。
拓展问题 如图4所示，如果轨道中始终有向上运动着的磁场，和方向相反，大小相等，均为1T，电梯轿厢固定在如图4的一个用超导材料制成的金属框上（电梯轿厢在图中未画出），并且与之相绝缘。电梯载人时的总质量为5×10[3]kg，阻力f＝500N，金属框垂直导轨的边长L＝2m、电阻为R＝9.5×10[－4]Ω，假如设计要求电梯以v[,1]＝10m／s的速度向上匀速运动，那么
（1）磁场向上运动速度v[,0]应该为多少？
（2）在电梯向上做匀速运动时，为维持它的运动，外界必须提供能量，那么这能量是由谁提供的？此时系统的效率为多少？
图4
分析与解答 当电梯向上匀速运动时，金属框中感应电流大小为
而安培力大小与重力和阻力之和相等，所以
即
求得v[,0]≈13m／s
（2）运动时电梯向上运动的能量是由磁场提供的。磁场提供的能量分为两部分，一部分转变为金属框上的热能，另一部分克服电梯的重力和阻力做功。当电梯向上匀速运动时，金属框中感应电流为
