流体问题的建模

来源 :中华少年·研究青少年教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:y358549797
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  摘要:建立正确的物理模型,有利于提高学生理解和接受新知识的能力,有利于学生将复杂问题简单化,有利于学生抓住问题的实质,有利于学生的思维发展、解题能力的提高。
  关键词:变质量 连续 流体问题
  一、高中物理中的模型有:
  1、物质模型。物质可分为实体物质模型和场物质模型。
  实体物质模型有力学中的质点、轻质弹簧、弹性小球等;电磁学中的点电荷、平行板电容器、密绕螺线管等;气体性质中的理想气体;光学中的薄透镜、均匀介质等。
  场物质模型有如匀强电场、匀强磁场等都是空间场物质的模型。
  2、状态模型。研究理想气体时,气体的平衡态;研究原子物理时,原子所处的基态和激发态等都属于状态模型。
  3、过程模型。在研究质点运动时,如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、平抛运动、简谐运动等;还有一些物理量的均匀变化的过程,如某匀强磁场的磁感应强度均匀减小、均匀增加等;非均匀变化的过程,如以恒定功率启动的汽车的运动过程。
  二、物理模型的作用:
  建立和正确使用物理模型有利于提高学生理解和接受新知识的能力。如带电粒子在匀强电场中偏转问题,一个“类平抛”就把运动过程的条件、特点、规律以及解题的思路方法,直观、清晰的呈现在学生面前。使学生学习这些新知识时容易理解和接受。
  建立和正确使用物理模型有利于学生将复杂问题简单化、明了化,使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明,突出了事物间的主要矛盾
   建立和正确使用物理模型有利于学生的思维发展、解题能力的提高。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的效果。
  三、流体问题的模型:
  微元法是物理学中的重要方法之一,微元法在教材中有明确体现,如位移公式的推导。但是在现实教学中没有引起教师的足够重视,学生更是不会应用。而在高考中却出现非微元法不能解决的问题,如:2006年江苏高考压轴题第19题.(17分)如图所示,顶角θ=45°,的金属导轨MON固定在水平面内,导轨处在方向竖直、磁感应强度为B的匀强磁场中。一根与ON垂直的导体棒在水平外力作用下以恒定速度v0沿导轨 MON向左滑动,导体棒的质量为m,导轨与导体棒单位长度的电阻均匀为r.导体棒与导轨接触点的a和 b,导体棒在滑动过程中始终保持与导轨良好接触.t=0时,导体棒位于顶角O处,求:
  (1)t时刻流过导体棒的电流强度 I和电流方向。 (2)导体棒作匀速直线运动时水平外力 F的表达式。 (3)导体棒在 O~t时间内产生的焦耳热 Q。 (4)若在 to 时刻将外力 F撤去,导体棒最终在导轨上静止时的坐标 x。
  设计思路:而微元法典型应用之一是流体问题,通过对流体问题建模,训练学生应用微元法确定研究对象。学生之所以感到流体问题无从下手,是由于在常见物理问题中研究对象都是固定不变的,所谓不变是指构成物体的成分以及物体的量都是不变的,这是学生习惯的模式。而在流体问题中,物体在不断的流动,有的物体我们看得见有的物体我们看不见,所以学生不容易抓住研究对象,不能在变化中抓住不变的对象来进行分析,因此感到困惑。如何引导学生选择研究对象,把“变”转化为“不变”,由抽象到形象,是建立模型的关键。
  例题1:高压采煤水枪出水口的截面积为S,水的射速为v,射到煤层上后,水的速度为零,若的水密度为ρ,求水对煤层的作用力?
  学情分析:本题研究的对象为“变质量”的“连续”的流体,学生初次见到这类问题往往找不到思路,确定不了研究对象。
  解析:设在时间 内水柱的:
  长度为: 体积为: 质量为: 以初速度方向为正方向。
   例题2: “轮台九月风夜吼,一川碎石大如斗,随风满地石乱走”这是唐代大诗人岑参描写大风飞沙走石的名句.特别是当风速较高时,风的威力极大,在我国就发生过火车被大风掀翻的实例,试证明风力所能够推动的石头重量与风速6次方成正比.(假设有一正方体石块边长为L,石块的密度为ρ,石块与地面间动摩擦因数为μ,空气的密度为ρ0,石块与地面间滑动摩擦力等于最大静摩擦力,放置在水平地面上,只能滑动,不会被风吹翻,风吹到石块上之后四散开去,垂直与表面的风速减为零。)
  学情分析:这道题是对我们所建立的模型的一个具体应用。是学生的一个熟悉、提高的过程。同时培养学生做新题、巧解题的能力。学生能否顺利推导出,石头重量与风速6次方成正比是一个难点。
  解析:设石块的边长为L,在△t时间内打到石块的空气质量 △m=ρ0 V=ρ0 L2v△t
  对于△m由动量定理得:
  Ft=△mv
  设石块的质量为m,
  地面对石块的摩擦力是 石块刚好被风吹动时得:风力所能够推动的石头重量 可见,风力所能够推动的石头重量与风速6次方成正比.
  总结:当流体不反弹时,求与和它接触的物体的作用力时:
  空气质量的表达式为: 作用力的表达式为:
  例题3:推导电流的微观表达式I=nesv。已知I为导体中的电流,n为金属导线单位体积内的自由电子数,e为电子的电荷量,S为导体的横截面积,v为电子定向移动的速率。
  学情分析:
  电流是导体中的电子在做着定向的匀速运动,因此为也是一个类流体问题的习题。前面我们得到的流体建模,找研究对象的结论 ,在这也一定能用。
  
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