淺談高中物理核心素養(yǎng)下科學(xué)思維能力的養(yǎng)成
——以傳送帶動力學(xué)模型為例

林伯來

(云浮市鄧發(fā)紀(jì)念中學(xué) 廣東 云浮 527300)

曾 斌

(廣東實驗中學(xué) 廣東 廣州 510375)

淺談高中物理核心素養(yǎng)下科學(xué)思維能力的養(yǎng)成
——以傳送帶動力學(xué)模型為例

林伯來

(云浮市鄧發(fā)紀(jì)念中學(xué) 廣東 云浮 527300)

曾 斌

(廣東實驗中學(xué) 廣東 廣州 510375)

物理核心素養(yǎng)是現(xiàn)在教學(xué)研究的熱點問題，如何建立科學(xué)思維能力是其中很重要的一方面.通過“傳送帶”動力學(xué)模型來做一些初步的探究，討論了傳送帶運動兩種情況下的動力學(xué)問題，通過力與運動的結(jié)合得到了解決此類問題的一般思路與方法，以提高學(xué)生的綜合思維能力.

核心素養(yǎng) 傳送帶 動力學(xué) 運動過程

核心素養(yǎng)是現(xiàn)階段課程改革和教學(xué)改革的主要方向,在物理教學(xué)實踐中如何全面落實物理核心素養(yǎng)要素是一個新的課題.物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有學(xué)科特性的品質(zhì).現(xiàn)階段提出的核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“實驗探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等4個方面的關(guān)鍵素養(yǎng)組成.而在其中，結(jié)合現(xiàn)在教學(xué)實際，讓學(xué)生形成科學(xué)思維能力是當(dāng)前高考中的熱點與重點問題.而在科學(xué)思維的建構(gòu)中，物理模型的構(gòu)建顯得非常重要，也是歷年高考中出題的熱點問題，那么如何構(gòu)建物理模型?本文通過對“傳送帶”模型的分析來體現(xiàn)科學(xué)思維能力的構(gòu)建.

“傳送帶”類問題有效地體現(xiàn)了運動學(xué)規(guī)律的綜合應(yīng)用，包含了物理學(xué)科中的相對運動、摩擦力做功、動能定理以及系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化和守恒等一系列有關(guān)問題，它對科學(xué)思維能力的建立有著較高的能力要求，因此一直是高考命題的熱點.這類問題能夠較全面地考查學(xué)生利用物理規(guī)律分析問題和解決問題的能力，廣大師生在復(fù)習(xí)備考中應(yīng)該予以重視.

傳送帶模型的動力學(xué)問題有兩個突破點：第一是傳送帶及滑塊的摩擦力方向；第二是滑塊運動過程的情境分析.在分析過程中合理利用速度-時間圖像能對解題有事半功倍的效果.下面分兩種情況來對傳送帶動力學(xué)情景進(jìn)行分析.

1 水平傳送帶動力學(xué)分析

1.1 運動情況分析

對水平傳送帶上滑塊的運動分析如表1～表3所示.

表1 無初速度的滑塊在水平傳送帶上的運動情況分析

表2 具有與傳送帶同向速度的滑塊的運動分析

表3 具有與傳送帶反向速度的滑塊的運動分析

1.2 水平傳送帶典型例題分析

【例1】如圖1所示,A,B為傳送帶的左、右端點,AB長L=8 m,初始時傳送帶處于靜止?fàn)顟B(tài),當(dāng)質(zhì)量m=2 kg的物體(可視為質(zhì)點)輕放在傳送帶A點時，傳送帶立即啟動，啟動過程可視為加速度a=2 m/s2的勻加速運動，加速結(jié)束后傳送帶立即勻速轉(zhuǎn)動.已知物體與傳送帶間動摩擦因數(shù)μ=0.1，設(shè)最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，g取10 m/s2.

圖1 例1題圖

(1)如果物塊以最短時間到達(dá)B點，物塊到達(dá)B點時的速度大小是多少?

(2)上述情況下傳送帶至少加速運動多長時間?

分析:(1)如果滑塊一直向右勻加速運動，運動時間最短，根據(jù)牛頓第二定律列式求解加速度，根據(jù)速度位移關(guān)系公式列式求解末速度.

(2)對傳送帶，根據(jù)速度時間關(guān)系公式列式求解加速時間．

解答:(1)為了使物塊以最短時間到達(dá)B點，物塊應(yīng)一直以加速度a1勻加速從A點到達(dá)B點，根據(jù)牛頓第二定律，有

μmg=ma1

根據(jù)速度位移公式，有

解得

(2)設(shè)傳送帶加速結(jié)束時的速度為v，為了使物塊能一直勻加速從A點到達(dá)B點，需滿足

v≥vB

根據(jù)速度時間關(guān)系公式，對傳送帶加速過程有

v=at

解得

t≥2 s

2 傾斜傳送帶動力學(xué)分析

2.1 運動情況分析

傾斜傳送帶上滑塊的運動情況分析如表4～表7所示(圖中的f為最大靜摩擦力).

表4 無初速度的滑塊在傾斜向上運動的傳送帶上的運動情況分析

表5 無初速度的滑塊在傾斜向下運動的傳送帶上的運動情況分析

表6 具有與傳送帶同向速度的滑塊在傾斜傳送帶上的運動分析

表7 具有與傳送帶反向速度的滑塊在傾斜傳送帶上的運動分析

2.2 傾斜傳送帶典型例題分析

【例2】如圖2所示,傳送帶與地面傾角θ=37°,從A→B長度L=16 m,傳送帶以v=10 m/s的速率逆時針轉(zhuǎn)動.在傳送帶上端A無初速度地放一個質(zhì)量m=0.5 kg的物體,它與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)μ=0.5.物體從A運動到B需多長時間?(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)

分析:物體剛放上傳送帶，摩擦力的方向沿傳送帶向下，根據(jù)牛頓第二定律求出物體的加速度，結(jié)合運動學(xué)公式求出速度達(dá)到傳送帶速度時的時間和位移，由于重力沿斜面方向的分力大于滑動摩擦力，速度相等后，滑動摩擦力沿斜面向上，根據(jù)牛頓第二定律求出物體的加速度，結(jié)合位移時間公式求出剩余段勻加速運動的時間，從而得出物體從A運動到B的時間．

圖2 例2題圖

解答:物體剛放上傳送帶時受摩擦力向下,則

當(dāng)物體與傳送帶相對靜止時,物體的位移

傳送帶過長，因為

mgsinθ>μmgcosθ

物體與傳送帶不能保持相對靜止，會有第二階段的加速運動.

第一階段加速過程時間

第二階段加速位移

x2=L-x1=11 m

第二階段加速度

則

代入數(shù)據(jù)解得t2=1 s,故共耗時

t=t1+t2=2 s

變式1:在例2中，若物體與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)變?yōu)?.75，則在上述情況下，物體從A到B所用的時間是多少？

解答:物體剛放上傳送帶時相對傳送帶沿斜面向下滑,則

當(dāng)物體與傳送帶相對靜止時,物體的位移

傳送帶過長，因為

mgsinθ=μmgcosθ

物體與傳送帶將保持相對靜止，會有第二階段對地勻速運動.

第一階段加速過程時間

第二階段對地勻速位移

x2=L-x1=11.83 m

x2=vt

代入數(shù)據(jù)解得t2=1.183 s,故共耗時

t=t1+t2=2.016 s

變式2:若傳送帶是順時針轉(zhuǎn)動，則在例2情況下，物體從A到B所用的時間是多少？

解答：物體剛放上傳送帶時受摩擦力向上,則

當(dāng)物體與傳送帶相對靜止時,物體的位移

傳送帶過短，物體一直做勻加速運動

代入數(shù)據(jù)解得

t=4 s

3 結(jié)束語

傳送帶問題看起來比較復(fù)雜，但是通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)傳送帶的問題主要是摩擦力問題，因此只要建立好物理情境，分析清楚它的速度-時間圖像、運動學(xué)公式、牛頓運動定律、功能關(guān)系，便可以不攻自破了！

而通過“傳送帶”模型的動力學(xué)分析，讓學(xué)生很好地建立了科學(xué)思維能力的一般方法，為學(xué)生的物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成提供了素材，如果在平時教學(xué)中注重這些物理模型與科學(xué)思維的建立，那么一定會為學(xué)生的終身發(fā)展提供無限的動力.

1 侯海軍,孫明西.基于物理核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)探討.物理教學(xué)探討,2016(10):39～40

2 胡學(xué)盛.傳送帶問題二、三事——傳送帶動力學(xué)問題詳析.新高考:高一物理,2014(11):8～11

3 牟躍娟.傳送帶上的功能問題簡析.物理教學(xué)探討,2005(12):34

4 李光遠(yuǎn).傳送帶中能量問題的探究.中學(xué)物理,2010(03):42～44

2016-12-30)