黑箱理论在高中物理中的应用.doc

《黑箱理论在高中物理中的应用.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、黑箱理论在高中物理中的应用□陈永新在高中物理中有个实验——“用多用电表探究黑箱中的电学元件”。要求学生用多用电表对黑箱进行测量后，在不打开黑箱的情况下对黑箱内部的结构做出判断。其实，在科学研究当中，控制论的创始人维纳首先把这一类问题或与之相类似的问题称之为黑箱，并且提出了处理这类问题的基本思路与方法，我们习惯上把它称为黑箱理论或黑箱方法。一、什么是黑箱在日常生活和科学研究中，我们常常会遇到这样的情况：我们的研究事物，由于种种条件的限制，不能直接通过观察的手段了解其内部结构或其运行机理，仿佛遇到一个既不透明又打

2、不开的黑箱子。例如研究人脑的思维活动，既不能从外部看出，也不可以通过生理解剖从内部观察得到大脑的工作原理，这类事物都可称之为黑箱。所以黑箱并不是一定要真的存在一个黑色的箱子，而是对这一类事物的一个形象的比喻。二、黑箱问题的处理方法遇到黑箱问题，如何去研究，我们知道：自然界中不存在孤立的事物，所有事物都是相互作用，相互联系的。根据这一特点，我们可以设计这样一种方法：1．信息的输入：用其他事物对黑箱施加影响。2．信息的输出：黑箱对其他事物作出的反应。3．系统分析：综合处理输入与输出的信息，猜想黑箱模型的几种模型。

3、4．验证与控制：对结果进行验证和实现对黑箱的控制。三、几个应用实例【例1】2012年江苏高考第10题第3问：如图所示的黑箱中有三只完全相同的电学元件，小明使用多用电表对其进行探测。两表笔的接触点多用电表的示数a,bΩa,c10.0Ωb,c15.0Ω在判定黑箱中无电源后，将选择开关旋至“×1”挡，调节好多用电表，测量各接点间的阻值。测量中发现，每对接点间正反向阻值均相等，测量记录如上表。两表笔分别接a、b时，多用电表的示数如表格所示。请将记录表补充完整，并在答题卡的黑箱图中画出一种可能的电路。1．信息的输入：用

4、多用电表对其测量。2．信息的输出：即多用电表的读数。3．系统分析：每对接点间正反向阻值均相等，即为普通电阻，不存在二极管之类的电学元件，也就是黑箱中即为三个等值的电阻。所以可能为三个都是5Ω的电阻，如左图，也可能为三个都为10Ω的电阻，其中两个并联，如右图所示：4．验证与控制：ab间的电阻两图都为5Ω，其他也符合表格数据。【例2】2012年江苏高考第15题第3问：如图所示，待测区域中存在匀强电场和匀强磁场，根据带电粒子射入时的受力情况可推测其电场和磁场。图中装置由加速器和平移器组成，平移器由两对水平放置、相距

5、为l的相同平行金属板构成，极板长度为l、间距为d，两对极板间偏转电压大小相等、电场方向相反。质量为m、电荷量为+q的粒子经加速电压U0加速后，水平射入偏转电压为U1的平移器，最终从A点水平射入待测区域。不考虑粒子受到的重力。(1)求粒子射出平移器时的速度大小v1；(2)当加速电压变为4U0时,欲使粒子仍从A点射入待测区域,求此时的偏转电压U；(3)已知粒子以不同速度水平向右射入待测区域,刚进入时的受力大小均为F。现取水平向右为x轴正方向，建立如图所示的直角坐标系Oxyz。保持加速电压为U0不变，移动装置使粒子

6、沿不同的坐标轴方向射入待测区域,粒子刚射入时的受力大小如下表所示。请推测该区域中电场强度和磁感应强度的大小及可能的方向。射入方向y-yz-z受力大小这里我们只研究第三小问，这里的未知区域对我们来讲，就是一个“黑箱”，不清楚里面的电场和磁场的大小和方向，但是题目里面给出了：1．不同情况下的信息输入：从不同的方向打进粒子。2．给出了信息的输出：“黑箱”对粒子的作用力，如表格所示。3．系统分析：（a）、从“粒子以不同速度水平向右射入待测区域,刚进入时的受力大小均为F”，显然力与速度无关，洛伦兹力为零，只有才可以。则

7、F为电场力，电场大小为。(b)、根据磁场方向与x轴平行和沿轴方向射入的速度方向，洛伦兹力的的方向只可能沿轴方向，而合力都为，可得出电场力与洛伦兹力垂直，即E与Oxy平面平行，有，则f=2F且f=qv1B，得：。(c)设电场方向与x轴方向夹角为，若B沿x轴方向，由沿z轴方向射入时的受力情况得，解得=30°或=150°　，即E与Oxy平面平行且与x轴方向的夹角为30°或150°，同理,若B沿－x轴方向E与Oxy平面平行且与x轴方向的夹角为—30°或—150°。4．验证与控制：根据解的结果代入数据检验。四、黑箱问题

8、在高中物理中的应用在高中物理中，“探究黑箱中的电学元件”这个实验正是采用了上面的处理方法，先通过多用电表对黑箱施加影响，再根据黑箱对多用电表作出的反馈做出正确的判断。最后对做出的判断进行验证。其实在其他知识点中，我们也能找到许多问题的处理采用了黑箱理论。有的是明显的黑箱问题，有些则是不明显的，但是实际上我们已经在用处理黑箱问题的方法处理这类问题。如在卢瑟福α粒子散射实验中，在当时的条件下，不可能打开