形變新分類與消除“詭異”感

【摘 要】彈力是高中力學(xué)的重要組成部分，且學(xué)生使用的教科書與學(xué)生已有的一些輔導(dǎo)資料在彈力的定義上不盡相同，那么哪個定義更確切？這直接影響學(xué)生對彈力的認(rèn)識、理解和運(yùn)用，使得學(xué)生在判斷彈力的有無上頻頻出現(xiàn)錯誤，從而對彈力心生 “詭異”之感。為了消除學(xué)生的這種 “詭異”感，我們給形變提出了一種新的恰當(dāng)?shù)姆诸惙椒ā?/p>

【關(guān)鍵詞】彈力 定義 詭異 形變

彈力本質(zhì)上是由電磁力引起的，是一種接觸力，也是一種被動力。彈力是物體發(fā)生形變時，使物體恢復(fù)原狀的力，也是反抗與它發(fā)生直接接觸并擠壓它的施力物體的一種接觸力和被動力。然而高中學(xué)生僅從彈力抽象的描述出發(fā)，在解決部分關(guān)于彈力的問題時仍略顯困難。在解決所有關(guān)于彈力的問題時，首先確定物體間發(fā)生直接接觸與否，接著更為重要的就是判斷物體間彈力的有無，這一判斷又可歸結(jié)為“判斷物體是否被迫發(fā)生形變”。任何物體都能發(fā)生形變，不存在不能發(fā)生形變的物體，因此直接接觸的兩個物體如果有擠壓則一定或多或少都會被迫發(fā)生形變，從而產(chǎn)生彈力作用。但事實(shí)上，有時有形變就有彈力，有時有形變卻沒有彈力，這又讓學(xué)生在“彈力是否存在”和“形變是否發(fā)生”的對應(yīng)上產(chǎn)生極大困惑，讓學(xué)生又覺“詭異”。一個典型的例子：橡皮泥在被捏的過程中，對施力物體有彈力作用[1]，即有形變有彈力；而被捏后的橡皮泥發(fā)生永久形變，對與它接觸的物體卻沒有彈力作用，即有形變卻沒有彈力。這讓學(xué)生對有形變究竟有沒有彈力困惑不解，心生“詭異”。我們將從下面的討論來破除學(xué)生這一困惑和“詭異”。

一、彈力定義與“詭異”感由來

我國現(xiàn)行的高中教材實(shí)行一綱多本，不同地區(qū)的高中物理在表述彈力時有所差異。現(xiàn)行各個版本的高中物理教材中人教版對彈力是這樣表述的：發(fā)生形變的物體，由于要恢復(fù)原狀，對與它接觸的物體會產(chǎn)生力的作用，這種力叫做彈力。粵教版給出的定義為：發(fā)生形變的物體，會對跟它接觸的物體產(chǎn)生力的作用，這種力叫彈力。滬科版則簡潔地將彈力表述為：物體發(fā)生形變時，會產(chǎn)生一種使物體恢復(fù)原狀的力，叫做彈力。咋看這三個版本對彈力是橫看成嶺側(cè)成峰，其本質(zhì)卻沒有區(qū)別。教科版、江蘇版、魯科版對彈力卻是這樣表述的：“發(fā)生彈性形變的物體，由于要恢復(fù)原狀，會對與它接觸的物體產(chǎn)生力的作用，這種力叫彈力”。

這些定義都是沒有問題的[2]，但對于中學(xué)生，單是這些彈力的字面表述就足以讓他們對彈力產(chǎn)生一種不確定的“詭異”感。彈力究竟應(yīng)該與“彈性形變”還是“形變”相對應(yīng)，這讓他們對彈力的認(rèn)識困惑而糾結(jié)。接下來，我們給出一種新的彈力分類方法來解除這一困惑和學(xué)生對彈力產(chǎn)生的那種“詭異”感。

二、形變的分類

中學(xué)研究的形變是物物體受外力而被迫發(fā)生的形狀或體積的改變。按形變能否恢復(fù)，課本將形變分為彈性形變和范性形變兩大類。但事實(shí)上非單一物質(zhì)構(gòu)成的物體發(fā)生的形變都是范性形變和彈性形變共存的[3]，如多次被拉伸到彈性限度臨界值附近的彈簧或橡皮條，其彈性將逐漸變?nèi)?，則它們被拉伸到彈性限度臨界值附近時發(fā)生的形變是范性形變和彈性形變共存的。因此，我們不妨像給碰撞分類那樣，將形變分為完全彈性形變（僅存在彈性形變）、非完全彈性形變（范性形變和彈性形變共存）、完全非彈性形變（僅存在范性形變）三大類。這里“非完全彈性形變”則是我們常說的明顯或微小的“彈性形變”，如受擠壓的玻璃，靜置于鋼板上的橡皮泥等，且?guī)缀跛幸褳槲覀兯奈矬w都是可以發(fā)生非完全彈性形變的。而“完全彈性形變”和“完全非彈性形變”則是物體形變的兩種極端狀態(tài)。

基于這一分類方法，我們可方便地將涉及彈力的例子進(jìn)行歸類，如下表所示：

再看前面提到的備受爭議的捏橡皮泥的例子，通常，只有一部分中學(xué)生會認(rèn)為“手捏橡皮泥的過程中，橡皮泥對手的作用力是彈力”，極大多數(shù)中學(xué)生則認(rèn)為橡皮泥不可能產(chǎn)生彈力作用。根據(jù)我們的分類及上述表格的內(nèi)容，我們卻很容易便可知道：“手捏橡皮泥的過程中”橡皮泥正發(fā)生著的“形體”變化屬于“非完全彈性形變”類型；此時，橡皮泥對手有彈力作用。類似情景：拉伸超出彈性限度的彈簧使其發(fā)生形變的過程中，彈簧對施力物體有沒有彈力的作用。以往學(xué)生也是意見不一的，運(yùn)用文章形變的分類方法分析：超出彈性限度的彈簧被拉伸，發(fā)生的形變是彈簧發(fā)生“形體”變化過程中的形變，屬于非完全彈性形變，彈簧對施力物體有彈力的作用。類似情況下，根據(jù)我們的形變分類來判斷彈力有無，比我們平時使用的“撤消法”、“假設(shè)法”以及從定義出發(fā)等更為方便直接，而且更容易被學(xué)生接受，當(dāng)然也就自然而然的消除了類似情況給學(xué)生們帶來的那種究竟有沒有彈力的“詭異”感、不確定感。

三、總結(jié)

因?qū)W生容易確定物體是否直接接觸，則判斷彈力有無的關(guān)鍵就是判斷物體是否被迫發(fā)生形變，我們對形變進(jìn)行了一個簡單而又實(shí)用的分類，從而為學(xué)生們輕松判斷“彈力有無”給出了一種有效實(shí)用的方法，從而消除普遍存在于學(xué)生心中的那種對彈力存在與否的“詭異”感。最后，希望更多的學(xué)生能夠運(yùn)用此方法來判斷彈力的有無，解除他們久存于心的困惑。

參考文獻(xiàn)

[1]張海東.芻議范性形變過程中產(chǎn)生的力是否為彈力[J].教改聚焦，2011，（10）：170

[2]朱加沐.高中物理關(guān)于彈力的敘述真的存在問題嗎[J].物理教學(xué)探討，2013，（10）：36

[3]張文德.范性形變時究竟有沒有彈力——關(guān)于彈力概念的一點(diǎn)補(bǔ)充意見[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，（44）：77