现行物理选修教材中几幅插图的探讨

现行物理选修教材中几幅插图的探讨 郑丽芬浙江奉化武岭中学315502 摘要本文对现行物理选修教材中几幅插图的进行了探讨。 关键词现行物理选修教材插图 普通高中课程标准实验教科书（必修加选修）物理（以下简称现行教材） 在电磁学和光学部分有几幅插图很值得我们思考，有助于我们进一步改进教学, 现作一推敲。 一、关于回旋加速器 现行教材选修3-1第三章第六节关于回旋加速器的原理图（3.6-6）有点 粗糙，既然作为原理图，笔者认为要精确，至少能让同学看出原理图的关键点在 哪里。虽然在思考与讨论中问到了半径与速度的关系，但很多同学根本不去思考 也不知道为什么带电粒子半径增量引起的间距越来越小（如图1所示）。现作证 明： 在AA极板的中间粒子源发出一个带正电的粒子，被极板缝隙间 电场加速，加速过程电场力对粒子所做的功为W,从而以速率v0,垂直进入匀 强磁场，以后每次由极板A进入极板A或从A进入A,电场力对 带电粒子所作的功为2W。由动能定理得： 由（4）式可知：回旋加速器中的粒子半径增量R不均匀， 并随着粒子速度的增大而减小，且当R时，RO。 从以上的证明可知，当粒子的速度达到一定值时，粒子轨道几乎重合, 这也便成了粒子的能量仅能达到20MeV的另一个理由了。 二、关于电磁场方向与能量传播方向关系 现行教材选修3-4在“电磁波”第一节中有一幅独立的插图 14.1-2 （图2）,其实这是一幅关于电磁场方向与能量传播方向关系的插图，为什 么看上去满足右手螺旋定则？ 众所周知，电磁场是一个统一体，同一个电磁场在 不同的参考系中可以呈现出不同的电场，而电场与磁场的同时出现也必然伴随着 能量的传播。根据玻印亭矢量（能流密度矢量）与电磁场的关系S = EH= （l/uO）EB就可以知道空间某一点的能流密度矢量的方向与该点的电场、磁 场方向成右手螺旋系。因此，在已知S、E、B三矢量中任二者的方向时，就能判 断出另一矢量的方向。在一般电路中我们可以很容易地判断出能流密度矢量S的 方向（如图3）。 在一般的简单电路中，电路周围的电场方向显然如图4所示，根据电流 的方向可以很容易得到电路周围磁场的方向，从而由上述关系判断出能流密度矢 量的方向（如图5所示）。即能量传播的方向：能量从电源传出，几乎是平行地 沿着电路传播，很少被低电阻的导线所吸收，而最后汇聚到了消耗电能的电阻上, 这与实际的情况是相符的，也说明了在电路中，能量实际上是通过电磁场来传播 的。 我们再回到图2,显然当电流如图中所示给电容器充电时，两极板间的 电场正在加强，即电场能正在增大，由此可知电场周围的能流密度矢量S的方向 是指向电场内部的，正如图5中的电阻一样。这样就可以根据上述的S、E、B三 矢量方向的关系推出电场周围的磁场方向如课本上的插图。同样可以很容易地分 析得到：电容器在放电时的电场和磁场方向。 三、关于光干涉图样与水波干涉图样的关系 现行教材选修3-4第十三章第三节关于光的双缝干涉图样有一插图（如 图7所示）与第十二章第四节关于水波的干涉图样的插图（如图8所示），同样 是干涉图样，干涉的原理相同，但为什么形状却截然不同？ 、 水波是一种机械波，是介质中各质点的实体振动，它的全貌能在整个传 播区域反映出来，所以其干涉图样反映的是水波在整个干涉区域的干涉现象。 光波是一种电磁波，尽管双缝干涉现象也能出现在双缝后的整个区域, 但如果不放光屏，其干涉现象根本观察不到，只有在双缝后面的某一位置放上光 屏时，才能在光屏上观察到光的干涉图样，所以我们看到的光的干涉图样只反映 了整个区域的某一截面的干涉现象。 如果在光的干涉区域的许多位置放上许多光屏，获得不同位置的干涉图 样，然后用一水平面去截它们，可以想象这张无法获得的光的干涉图样将和水波 的干涉图样相同。 四、关于利用光的干涉检查平面的平整程度 现行教材选修3-4第十三章第七节科学漫步关于利用光的干涉检查平面 的平整程度的干涉条纹有一插图（如图9所示），同时有一段描述：如果干涉条 纹发生弯曲，就表明被测平面不平，那么被检查平面在此处是凹下还是凸出？现 作一判断。 设有三束同一单色光1、2、3入射到如图10所示（薄片垫在右边）的 劈面，在样板的下表面和被检查平面的上表面发生反射，上表面的反射光线和下 表面的反射光线的光程差S如满足： S = 2n 出现亮条纹 S = （2n+l） 出现暗条纹 且同一干涉条纹对应同一劈面厚度，即同一空气层厚度（如图10所示 干涉条纹A、B、C对应光线1、2、3入射处的空气厚度）。现在B条纹出现向左 边弯曲（如D位置），说明2光线产生干涉条纹B需要的光程差在较薄的空气层 出现，即D条纹处所需的光程差不够B条纹所要求的，所以被检查平面只有向 下凹才能增大光程差，满足B条纹所需要的光程差，所以D处所对应的被检查 平面下凹。 同理推断：D部分向右弯曲，对应的被检查平面向上凸。如果薄片垫在 左边，那么当出现如图10所示的干涉条纹时，可说明被检查的平面有向上凸起 的地方。 参考文献 【1】张雪屏.“磁场”一章中两个问题的讨论.《教学通讯》1984年第4期 【2】全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理第二、三册.人民教育出 版社物理室 [3]赵凯华陈熙谋.《电磁学》下册