物理教學(xué)中的“小問(wèn)題與大文章”

湯巧根

(如東縣岔河中學(xué),江蘇如東 226403)

物理是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖匀粚W(xué)科.對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)要學(xué)好它有一定的難度;對(duì)教師來(lái)說(shuō)也是一門難教的學(xué)科.其中有些問(wèn)題由于涉及到物理前沿或更高層次的知識(shí)而不能很好地解決.但有些“小”問(wèn)題,教師必須深刻地把握,清楚地講解,使學(xué)生有清醒的認(rèn)識(shí).在多年的物理教學(xué)和交流中,本人發(fā)現(xiàn)有些高中物理教師在不少基本問(wèn)題上是糊涂的,例如概念含糊,物理規(guī)律關(guān)系錯(cuò)亂,物理符號(hào)混亂等等.這些現(xiàn)象可以叫做物理教學(xué)中的“亂象”.以下幾個(gè)例子看似“小問(wèn)題”,然而卻有“大文章”可做.

1 還公式本來(lái)面目——時(shí)間與時(shí)刻、位移與位置

高中物理第1冊(cè)第1章開(kāi)始就講解時(shí)間與時(shí)刻、位移與位置的概念,學(xué)生學(xué)得輕松,教師也講解得輕松.但是如果問(wèn)大家公式中的“t”指的是時(shí)間還是時(shí)刻.許多人一定會(huì)不假思索地回答是時(shí)間.

“t”果真是時(shí)間嗎?還是回到時(shí)間和時(shí)刻的基本概念上來(lái),時(shí)間是一個(gè)過(guò)程量,在t軸上對(duì)應(yīng)一段線段;時(shí)刻是指時(shí)間上的一點(diǎn),是個(gè)狀態(tài)量,在t軸上對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn).

課本上是這樣推導(dǎo)速度公式vt=v0+at的:一個(gè)物體在水平路面上t0時(shí)刻速度v0,開(kāi)始做加速度為 a的勻加速直線運(yùn)動(dòng),求運(yùn)動(dòng)到t時(shí)刻的速度vt.

速度圖像的意義也深刻地反應(yīng)了各個(gè)時(shí)刻的速度.從公式的推導(dǎo)到速度圖像的意義,一切都表明 t是時(shí)刻,并不是時(shí)間.

課本上以及許多教師把“at”說(shuō)成速度的變化量,實(shí)在是牽強(qiáng).速度公式僅僅反映了速度與時(shí)刻的關(guān)系,其中“at”無(wú)任何物理意義.

在此要說(shuō)明的是:在眾多運(yùn)動(dòng)學(xué)題目中往往告知一個(gè)過(guò)程的時(shí)間或求解一個(gè)過(guò)程的時(shí)間,當(dāng)規(guī)定了起點(diǎn)為零時(shí)刻時(shí),時(shí)刻 t在形式上就等于該過(guò)程的時(shí)間(t-0).因此可以直接把時(shí)間代入公式中使用,但是數(shù)值上的相等并不是概念上的等同.正如單向直線運(yùn)動(dòng)的位移和路程相等,但兩個(gè)概念并不等同.公式本來(lái)的物理含義是不容篡改的,更不能歪曲.

有些人也許會(huì)說(shuō)不必斤斤計(jì)較,學(xué)生以后會(huì)理解的.既然不必斤斤計(jì)較,那么教材為何要講解時(shí)間和時(shí)刻、位移和位置這些概念,并且大綱也要求學(xué)生掌握呢?其次,如果不把這些基本問(wèn)題弄懂(即過(guò)程量和狀態(tài)量的區(qū)別),學(xué)生在使用公式的時(shí)候會(huì)糊涂的,經(jīng)常有學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤表達(dá)式.另外,從治學(xué)態(tài)度上也應(yīng)該把這些問(wèn)題搞懂.學(xué)習(xí)物理概念時(shí),除了要掌握其物理意義、定義式、矢量還是標(biāo)量、單位等外,還要明確屬于狀態(tài)量還是過(guò)程量.掌握狀態(tài)量和過(guò)程量的本質(zhì)特征,將有助于對(duì)物理問(wèn)題中涉及的物體或系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)分析和過(guò)程分析,有助于深刻理解物理規(guī)律和正確使用物理規(guī)律去解決具體問(wèn)題.

另外,速度公式vt=v0+at中的a又是狀態(tài)量還是過(guò)程量?胡克定律F=kx中x是狀態(tài)量還是過(guò)程量呢?等等,都值得仔細(xì)揣摩.

2 還牛頓定律真相——對(duì)牛頓定律的理解

作為高度抽象和高度概括的牛頓第一、二定律在許多人的理解中被曲解了.

請(qǐng)看牛頓第一定律:一切物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),直到外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.此定律闡明了:一切物體在不受任何力作用下的運(yùn)動(dòng)性質(zhì).

可是,考慮到在共點(diǎn)平衡力(即合力為零)作用下物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同樣不發(fā)生改變,另外,地球上的物體都不可避免受到力作用,于是,許多人就把定律中的“外力”解釋為“合力”,這樣解釋合理嗎?請(qǐng)看分析.

首先,“合力為零”可分為兩種情況:一是不受任何力,合力自然為零;二是受若干個(gè)力,合力為零.由此可得出兩個(gè)A、B真命題:

A:“物體不受力則物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定不發(fā)生改變”;

B:“物體受若干個(gè)力但合力為零則物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定不發(fā)生改變”.

由上述兩個(gè)真命題可以推斷命題C“物體受力則物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定改變”是假命題.

由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變就一定存在加速度,因此可以進(jìn)一步推定命題 D“力是產(chǎn)生加速度的原因”是假命題.顯然,這是值得深思的問(wèn)題.

其次,請(qǐng)看牛頓第二定律:物體的加速度跟物體的作用力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比.教材在探究此定律的實(shí)驗(yàn)中以單個(gè)水平拉力下的小車為研究對(duì)象,以小車的加速運(yùn)動(dòng)為研究過(guò)程,得出上述結(jié)論,表達(dá)式為 F=ma.在總結(jié)時(shí)強(qiáng)調(diào)指出:由于地球上的物體往往受多個(gè)力,因此力“F”是“合力”.

F果真是合力嗎?

若F=0則a=0即物體處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如果第一定律中的“外力”也是“合力”的話.則第一定律豈不變成了第二定律的一個(gè)特例,第一定律有何存在意義呢?

圖1

從科學(xué)的基本規(guī)律和科學(xué)的演繹關(guān)系上分析:牛頓第一定律和第二定律中的“力”不是“合力”,應(yīng)該是“力”.那么合力和加速度的關(guān)系如何呢?請(qǐng)看如圖1,物體在兩個(gè)共點(diǎn)力F1、F2(F1＞F2)作用下向右做加速運(yùn)動(dòng),F1產(chǎn)生向右的加速度,F2產(chǎn)生向右的加速度.a1與a2的合成加速度(即合加速度a)就是通常所要求的加速度,推導(dǎo)過(guò)程如下.

由上述推導(dǎo)可知,當(dāng)物體受到幾個(gè)力的作用時(shí),通常所說(shuō)的加速度都是合加速度,合加速度是有幾個(gè)力的合力產(chǎn)生的.“合力產(chǎn)生合加速度”可視為牛頓第二定律的一個(gè)推論,可以叫“推論1”.當(dāng)這幾個(gè)力的合力為零時(shí),每個(gè)力依然產(chǎn)生各自的加速度,其合加速度為零,物體的宏觀表現(xiàn)是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變.所以把“共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件是合力等于零”作為牛頓第二定律的另一個(gè)推論,可以叫“推論 2”.

綜上所述,牛頓第一、二定律中的“力”應(yīng)該就是“力”,不能說(shuō)成“合力”,否則就會(huì)產(chǎn)生邏輯混亂,并且違背了定律的本意,是一種歪曲.因此,從尊重科學(xué),培養(yǎng)學(xué)生探究精神的角度,在教材和教學(xué)中應(yīng)充分體現(xiàn)上述推演過(guò)程,給學(xué)生清醒的認(rèn)識(shí).如果把由高度抽象的科學(xué)規(guī)律演繹出來(lái)的二級(jí)結(jié)論強(qiáng)加到基本規(guī)律上,甚至忘記了基本規(guī)律,僅僅強(qiáng)調(diào)和記住這些二級(jí)結(jié)論,這是一種急功近利的做法.

再如,什么是動(dòng)能定理?教材上有一個(gè)探究實(shí)驗(yàn),結(jié)論是力做功等于物體的動(dòng)能變化.接著教材上總結(jié)時(shí)強(qiáng)調(diào)合力做功(或各個(gè)力做功總和)等于物體的動(dòng)能變化,這就是動(dòng)能定理.筆者認(rèn)為這里又犯了“把由高度抽象的科學(xué)規(guī)律演繹出來(lái)的二級(jí)結(jié)論強(qiáng)加到基本規(guī)律上”的錯(cuò)誤.真正的動(dòng)能定理是“力做功等于物體的動(dòng)能變化”.“合力做功等于物體的動(dòng)能變化”是一種推論.

另外,什么是機(jī)械能守恒的條件呢?教材上說(shuō)成是“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化,而總的機(jī)械能保持不變”.在許多資料上以及教師的課堂中,機(jī)械能守恒的條件被說(shuō)得五花八門,讓人一頭霧水,給學(xué)生帶來(lái)巨大的困難.什么“僅有重力或彈簧彈力做功,其他力不做功(或做功代數(shù)和為零)”;什么“在一個(gè)系統(tǒng)中,僅發(fā)生動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化,無(wú)其他形式的能產(chǎn)生”等等,所有這些都是基本規(guī)律演繹出來(lái)的二級(jí)結(jié)論,然而卻被一步到位地強(qiáng)加到基本規(guī)律上,人為增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)困難,很不妥當(dāng).

3 還編者本來(lái)意圖——談產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件

一些教師在講解“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”一節(jié)時(shí)往往得出這樣的結(jié)論:產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是電路閉合和回路中的磁通量發(fā)生變化,把它作為判斷回路中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流的根據(jù).筆者認(rèn)為這種歸納和做法是錯(cuò)誤的.請(qǐng)看下面兩例.

例1.如圖2所示,在圓形線圈的斷開(kāi)處接有電容 C,線圈處在按圖示3變化的磁場(chǎng)中.

圖3

圖2

分析:根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,在線圈內(nèi)產(chǎn)生逐漸增強(qiáng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E,由此電容兩極的電壓也在逐漸增強(qiáng),電容兩端的電荷量在增多,于是,線圈內(nèi)就有了感應(yīng)電流.以上回路并不閉合卻產(chǎn)生了感應(yīng)電流.

圖4

例2.如圖 4所示,兩根光滑的導(dǎo)軌豎直放置,導(dǎo)軌之間連接電容C,整個(gè)裝置處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中,有一金屬棒緊貼導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑.

分析:根據(jù)牛頓第二定律可知金屬棒做加速下滑,由法拉第電磁感應(yīng)定律可知金屬棒兩端形成逐漸增強(qiáng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E,電容兩極的電壓逐漸變大,兩極的電荷量也隨之增多,從而回路中形成感應(yīng)電流.以上回路并不閉合也產(chǎn)生了感應(yīng)電流.

面對(duì)上述兩例,有人會(huì)問(wèn):產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件到底是什么?還是來(lái)看看教材上是怎樣說(shuō)的.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書選修3-2“探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”中最后一自然段的闡述是:“只要穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化,閉合電路就有感應(yīng)電流產(chǎn)生”.顯然,這句話僅僅說(shuō)明了產(chǎn)生感應(yīng)電流的一種情況,即在閉合電路中磁通量發(fā)生變化.這種情況是產(chǎn)生感應(yīng)電流的一個(gè)充分條件,而非必要條件.如果把教材中的闡述歸納成:產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件就是回路閉合和磁通量發(fā)生變化,并且把它作為判斷回路中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流的根據(jù).這就意味著把這個(gè)充分條件當(dāng)成了充要條件,顯然是錯(cuò)誤的.

既然如此,就需要解決兩個(gè)問(wèn)題.

問(wèn)題1.產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件到底是什么?首先必須明確,回路中若要有感應(yīng)電流產(chǎn)生則回路中一定要有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的條件是穿過(guò)回路(不一定閉合)的磁通量發(fā)生變化.其次,有了電動(dòng)勢(shì),回路中不一定就有電流,這要根據(jù)電路知識(shí)對(duì)回路進(jìn)行分析后才可判斷.

問(wèn)題2.如何把握“探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”這節(jié)內(nèi)容的教學(xué)?筆者認(rèn)為要緊貼教材,因材施教.考慮到這節(jié)內(nèi)容是“電磁感應(yīng)”一章的入門課,教師要做好課本上的3個(gè)演示實(shí)驗(yàn),把“在閉合回路中有磁通量發(fā)生變化則產(chǎn)生感應(yīng)電流”這一現(xiàn)象講透,要重現(xiàn)象,少引申,并且完成好課后練習(xí)題即可.

高中物理教學(xué)中的“小問(wèn)題”遠(yuǎn)不止上述一些例子.例如,物理量英文符號(hào)的書寫很不規(guī)范,物理解題的規(guī)范問(wèn)題等,這些忽視“小問(wèn)題”的現(xiàn)象有歷史原因;也有教師教學(xué)態(tài)度不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑?更有教師急于求成的教學(xué)行為的原因.高中物理的教學(xué)應(yīng)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?不管“高效課堂”對(duì)教師提出多高的要求;不管物理教學(xué)方法發(fā)生多大的變化,物理教師始終要深刻領(lǐng)會(huì)物理規(guī)律的內(nèi)涵,吃透編者的意圖,懷著對(duì)學(xué)生、對(duì)科學(xué)負(fù)責(zé)的態(tài)度,認(rèn)真講好高中物理中每一個(gè)概念和每一條規(guī)律.