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初中物理中的动态平衡
作者：邹兴明
来源：《中学物理·初中》2012年第01期
在一节浮力的复习课上，有道题涉及到水、盐水和酸三者密度大小的判断，正确的顺序应是ρ硫酸＞ρ盐水＞ρ水.学生提出疑问：盐水的密度可能大于硫酸，理由是往盐水中不断加盐溶解，则密度会不断变大而大于硫酸的密度.这里涉及饱和溶液的问题，即在一定温度下盐水达到一定的浓度时，溶解和淀积（结晶）达到动态平衡，浓度不再变化，是有限的，所以ρ硫酸＞ρ盐水.但这样解释给学生听，学生眨着眼，不理解.由此可见这部分知识学生是欠缺的，有必要加以认识，第二天特意准备了一道题帮助学生理解.
例 冬天下过雪后，小明发现脏的雪比干净的雪熔化得快.小明猜想：是因为它们吸收太阳辐射热的本领不同，深色物体比浅色物体的吸热本领强.为了验证这一猜想，他做了如下实验：将质量、温度都相同的水分别倒入两个牛奶瓶中，用白纸和黑纸包起来.然后将两个牛奶瓶放在同处，在阳光下照晒，每隔5 min测一下瓶中水的温度.经过0.5 h的实验，小明得到的两只牛奶瓶中的水温变化情况如下表所示. 日照时间/min051015202530…
白纸牛奶瓶水温/℃232526.62829.230.231.0… 黑纸牛奶瓶水温/℃232628.530.533.034.2 35.0…
小明对表中的数据进行分析，得出了结论.请回答下列问题：
（1）小明的猜想正确吗？____.请举出在日常生活中应用的一例：____.
（2）由实验数据推测牛奶瓶的水温升至一定高度后不会再上升（低于水的沸点），你能帮小明说出其中的道理：____.
（3）这两牛奶瓶中的水温最高温度t白____t黑.（选填“大于”、“小于”或“等于”） 解释 物体吸热升温后，随着温度的升高，物体与环境的温差也增大，所以放热的速度也加快，最终吸热和放热达到动态平衡，使物体的温度保持不变.此时引导学生将昨天的“盐的饱和溶液”联系在一起，去理解“动态平衡”，学生很 容易接受了.
参 正确 夏天穿深色的衣物比穿浅色的衣物要感到热 最终水的吸热和放热达到动态平衡温度不在变化 小于
动态平衡与物理学中的勒沙特列原理
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勒沙特列原理：当改变动态平衡系统的一种外界条件（如浓度、压强或温度等）时，平衡就被打破，并向能够减弱这种改变的方向移动.该原理不仅适用于物理、化学平衡体系，更是自然界中的一条普遍规律，它对于所有的动态平衡都是适用的也适用于物理平衡，例如水的三态变化：升高温度，平衡向吸热方向移动，有利于水蒸发为气态；降低温度，平衡向放热方向移动，有利于水凝固成冰.
动态平衡是物质系统在不断运动和变化情况下的宏观平衡.世界上没有绝对的、静止的平衡，平衡是一个动态的过程.其实，在我们的生活中，许多状态都处于一种动态平衡中，例如大气平衡、水平衡、物理平衡、化学平衡、生态平衡、人体体液的酸碱平衡、人口发展平衡、贸易平衡、供求平衡等.到了高中学习阶段，学生也将接触许多平衡体系.因此，让初中生初步了解和认识有关动态平衡的知识，形成动态平衡的意识将具有重要的意义.
那么，初中物理教学中那些地方存在动态平衡，又如何对学生进行引导加以认识，笔者做了浅薄的梳理，供大家参考. 1 力学中的动态平衡 1.1 压强与浮力中的动态平衡
例1 如图1所示，金鱼吐出的气泡在水中上升的过程中，气泡受到水的压强将（填“变大”、“变小”或“不变”）；气泡受到水的浮力将____（填“变大”、“变小”或“不变”）. 解释 这里的动态平衡是：气泡内壁受到的气体向外的压强与气泡外壁受到水向内的压强，始终处于动态的平衡之中.
因此随着气泡的上升，外壁所受水压强减小，为了达到平衡，气泡的体积同时增大使气泡内气压也随之减小，使气泡的内外的压强达到平衡. 参 变小 变大
例2 海水的密度大于河水的密度，当图2所示的军舰(保持质量不变)由大海驶向河流的过程中，它所受到的浮力将____，军舰排开水的体积将____.执行完任务的军舰返回军港进行淡水、食品和燃料的补给，在补给的过程中，它所受到的浮力将____，军舰排开水的体积将____(以上选填“增大”、“不变”或“减小”).
解释 军舰无论是在河面还是在海面上都处于漂浮状态，根据力与运动的关系可知，军舰所受的重力与浮力是一到平衡力，两力处于动态的平衡之中，浮力也随重力的变化而变化，两者的大小始终保持相等.
参 不变 增大 增大 增大
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1.2 力与运动中的动态平衡
例3 由于流体的粘滞性，使得在流体中运动的物体要受到流体阻力.若一个密度为ρ、半径为R的小球在密度为ρ0、粘滞系数为η的液体中(足够深)，由静止自由下落时的v-t图像如图3所示.在一般情况下，半径为R的小球以速度v运动时，所受的流体阻力可用公式f=6πηRv 表示.则小球在流体中运动时，速度越大，受到的阻力____（选填：越小、越大或保持不变）；若浮力不计，当球下落速度达到恒定时，球的重力____球受到流体的阻力的大小（选填：大于、小于或等于）
解释 物体在流体中下落，开始时重力大于流体的阻力，物体加速下落，平衡被打破，此时系统就向能够减弱这种改变的方向移动，随着下落速度的不断增大，受到流体的阻力也不断增大，最终阻力等于重力，使物体的下落速度达到恒定. 参 越大 等于 1.3 杠杆中的动态平衡
例4 如4图所示，有一轻质木板（质量可以忽略不计）长为L，右端放一重为G的物块，并用一竖直向上的力拉着，左端可绕O点转动.当物体向左匀速滑动时，木板始终在水平位置保持静止，则图中表示拉力F与物块的运动时间t的关系中，正确的是解释 杠杆始终处于一个动态的平衡之中，当物体向左滑动时，杠杆所受压力的力臂变小，根据杠杆原理，为了维持这种平衡，在F的力臂不变的情况下，F的大小应减小. 参 A
2 电学和热学中的动态平衡
例5 半导体和金属的导电能力随温度的变化特点是不同的，因此，利用它们制成的元件在生活中也各有各的用途.
一个由某半导体材料制成的加热器，通电后，加热器在发热的同时，也在向外界放热.图5为发热功率P发热和散热功率P散热与温度t之间关系的图像.由图像可知，加热器工作时发热功率和散热功率相等时的稳定温度为____℃.当温度稍高于稳定温度时，P发热____P散热（填“＞”、“＝”或“＜”）；此时发热功率继续减小，可推知，元件的电阻在继续____（选填：增大、减小或保持不变）.
解释 当温度低于稳定温度时P发热＞P发热，温度升高，反之，当温度高于稳定温度时P发热＜P发热，温度又开始降低，发热功率和散热功率处于动态的平衡，使加热器的温度维持在一个固定的值（如本题的70 ℃）左右，从而满足生产和生活中的需要. 参 70 ＜ 增大
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例6 家用电灭蚊器的发热部分使用了PTC发热材料，它的电阻随温度变化规律如图6所示.使用时发热体直接连人家庭电路，当发热体的温度为60 ℃时，发热体的电功率为____W，当发热体温度继续上升时，电灭蚊器发热体的电阻会____；它的电功率会____(最后两空选填“增大”、“不变”或“减小”).
解释 在温度从10 ℃升至30 ℃的过程中，PTC的电阻值随着温度的上升而逐渐减小，电功率逐步增大，直至到
℃时电阻值最小，电功率最大，这样有助于灭蚊器的快速升温；
随后，在30 ℃升至100 ℃的过程中，PTC呈现正的温度效应，电阻随温度升高而逐步变大，电功率逐渐降低，升温趋缓，同时由于散热的存在，最终其温度达到平衡，保持在一定的范围，从而保证了灭蚊器的安全使用. 参 4.84 增大 减小