例談高中物理中“相似情境”的教學(xué)

孫春成　戴元峰

[摘要]物理中有豐富的對(duì)稱性，容易讓學(xué)生產(chǎn)生思維定式，導(dǎo)致對(duì)“相似情境”思考不夠深入。文章通過(guò)對(duì)四種典型的“相似情境”進(jìn)行剖析，并提出了有效的應(yīng)對(duì)策略。

[關(guān)鍵詞]對(duì)稱；相似情境；高中物理

[中圖分類號(hào)]G633.7[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]16746058（2018）05005002

對(duì)稱美，是大自然某種本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律的體現(xiàn)，物理學(xué)中也存在著豐富的對(duì)稱美。教學(xué)中，我們經(jīng)常引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并利用物理學(xué)的對(duì)稱性，體會(huì)物理學(xué)的對(duì)稱美。例如，作用力與反作用力的對(duì)稱、物體豎直上拋后上升過(guò)程與下降過(guò)程的對(duì)稱、簡(jiǎn)諧振動(dòng)的對(duì)稱、正負(fù)電荷的對(duì)稱、磁極的對(duì)稱、電場(chǎng)與磁場(chǎng)的對(duì)稱、“電生磁”與“磁生電”的對(duì)稱、引力與斥力的對(duì)稱等。

引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注這些普遍的對(duì)稱性，能夠幫助學(xué)生根據(jù)對(duì)稱性，相對(duì)比較容易地發(fā)現(xiàn)規(guī)律、理解規(guī)律，并且能夠應(yīng)用規(guī)律解決問(wèn)題。然而，也正是這樣的對(duì)稱性，讓學(xué)生逐漸形成了一種“以不變應(yīng)萬(wàn)變”的思維定式。這樣的思維定式，會(huì)讓學(xué)生忽視普遍性中的特殊性，往往導(dǎo)致學(xué)生的思維深度不夠、思維創(chuàng)新不足，對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了負(fù)遷移。因此，在教學(xué)過(guò)程中，很有必要重視一些與對(duì)稱現(xiàn)象有高度相似情境問(wèn)題的教學(xué)。下面結(jié)合一些具體的案例分析高中物理中的“相似情境”。

案例一、彈簧與細(xì)繩的“相似情境”

如圖1和圖2所示，質(zhì)量不計(jì)的細(xì)繩和彈簧分別連接完全相同的小球1和小球2，兩球均處于靜止?fàn)顟B(tài)?，F(xiàn)突然分別剪斷繩子OA和O′A′，試比較在繩子剪斷的瞬間，小球1和小球2的加速度a1和a2的關(guān)系。

分析：這兩種情境很有“對(duì)稱性”的相似，學(xué)生由于思維定式的影響，往往認(rèn)為繩子被剪斷的瞬間，兩個(gè)小球的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況是完全相同的，因此，a1=a2。實(shí)際上，這兩種相似的情境有很大差異，具有典型的“不對(duì)稱”性。圖1中的細(xì)繩OA被剪斷后的瞬間，小球所受的彈簧彈力和重力沒(méi)有發(fā)生改變，因此合外力水平向右，其大小為mgtanθ，球1的加速度a1大小為gtanθ，其方向?yàn)樗较蛴?；圖2中的細(xì)繩O′A′被剪斷后的瞬間，細(xì)繩O′B′的形變瞬間發(fā)生變化，其中的張力也因此立即發(fā)生變化。小球此后的運(yùn)動(dòng)是初速度為0的圓周運(yùn)動(dòng)。在剪斷細(xì)繩O′A′的瞬間，細(xì)繩O′B′中的張力大小和重力的徑向分力平衡，變?yōu)閙gcosθ，小球2所受的合力為mgsinθ，加速度大小為gsinθ，方向垂直于O′B′向下。綜上所述，在細(xì)繩OA和O′A′被剪斷的瞬間，小球1和小球2的加速度a1和a2不僅大小不同，而且方向也不同。

案例二、斜面光滑與粗糙的“相似情境”

如圖3和圖4所示，兩個(gè)光滑斜面上分別有A、B兩物體和C、D兩物體，它們分別疊放在一起?，F(xiàn)A、B整體和C、D整體分別沿兩個(gè)斜面下滑，在下滑過(guò)程中，A、B兩物體以及C、D兩物體均分別保持相對(duì)靜止。試比較，A、B之間的摩擦力和C、D之間的摩擦力。

分析：這也是兩種相似情境。很多學(xué)生分析后認(rèn)為A、B之間沒(méi)有摩擦力，因此，受思維定式影響，想當(dāng)然地認(rèn)為C、D之間也沒(méi)有摩擦力；或者是認(rèn)為C、D之間有摩擦力，所以A、B之間也有摩擦力。實(shí)際上，由于斜面光滑，A、B整體和C、D整體下滑時(shí)的加速度大小均為gsinα，因此，A、B之間的確沒(méi)有摩擦力，而C物塊必定受到D物塊施加的水平向左的摩擦力。這也是相似的情境下存在的典型的差異性。

該案例可進(jìn)一步拓展：如果斜面是粗糙的，A、B兩物體和C、D兩物體均分別保持相對(duì)靜止，沿斜面勻速下滑。試比較，A、B之間的摩擦力和C、D之間的摩擦力。

分析：很多學(xué)生由于思維定式的影響，未深入分析就根據(jù)印象中的“對(duì)稱性”，想當(dāng)然地認(rèn)為本題的情境跟之前學(xué)過(guò)的一樣，認(rèn)為A、B之間沒(méi)有摩擦力，而C物塊受到D物塊施加的水平向左的摩擦力。實(shí)際上，由于是勻速下滑，四個(gè)物塊均處于平衡狀態(tài)，合外力為零，所以A物塊必定要受到B物塊施加的沿斜面向上的摩擦力，而C、D物塊之間并沒(méi)有摩擦力。

案例三、力牽引與重物牽引的“相似情境”

如圖5和圖6所示，光滑水平面上分別放有兩塊相同的質(zhì)量為M的木塊，分別通過(guò)細(xì)繩用力F（大小為mg）和質(zhì)量為m的物塊拉動(dòng)。試比較兩種情況下木塊M的加速度大小。

分析：這也是兩種很相似的情境。學(xué)生往往會(huì)根據(jù)“對(duì)稱性”的思維，認(rèn)為兩種情況下，繩子中的張力均為mg，因此，木塊M的加速度均為mg/M。教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析，圖6中，如果繩子中的張力大小為mg，那么，對(duì)于m來(lái)說(shuō)，其所受的合外力應(yīng)該為0，則m應(yīng)該處于平衡狀態(tài)，應(yīng)保持靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)。但是，M在加速，因此，繩子必定會(huì)松弛，這顯然不符合事實(shí)，利用整體法，我們不難求出圖6中M的加速應(yīng)該為mg（M+m）。

案例四、有、無(wú)二極管的“相似情境”

如圖7所示，D為一理想二極管，A、B為兩平行金屬板。帶電粒子P（重力不計(jì)）以一定的速度平行于金屬板射入板間，粒子打在B板上的M點(diǎn)。若要使粒子打到B板上M點(diǎn)的右側(cè)，下列方法可行的是（）。

A.將A板向上平移一段距離

B.將A板向下平移一段距離

C.將B板向上平移一段距離

D.將B板向下平移一段距離

分析：本題中，由于二極管具有單向?qū)щ娦裕珹板向上平移或B板向下平移時(shí)，電容器電容減小，但是，A板和B板上的電荷量不會(huì)發(fā)生變化，因此兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)A板向下平移或B板向上平移時(shí)，電容器電容增大，A板和B板上的電荷量增加，兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度將增大。因此，本題答案為D。

我們還可以將本題進(jìn)行拓展：如圖8所示，將二極管除去，其他條件均相同，要使粒子打到B板上M點(diǎn)的右側(cè)，則該選擇哪個(gè)答案呢？

分析：此情境與上一題的情境十分類似，但有本質(zhì)區(qū)別。由于電路中沒(méi)有二極管，在平移A板或B板時(shí)，A、B兩板間的電勢(shì)始終保持不變，隨著A、B板的平移，兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度將發(fā)生改變，因此，本題的答案應(yīng)該是A、D。

以上是四個(gè)典型的“相似情境”問(wèn)題。實(shí)際上，物理教學(xué)過(guò)程中，還有很多“相似情境”的案例可以用來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行對(duì)比，從而深化學(xué)生對(duì)相關(guān)概念或規(guī)律的理解。例如，重力做功的多少與路徑無(wú)關(guān)，僅取決于始末位置的高度差，而滑動(dòng)摩擦力做功的多少則與路徑密切相關(guān)；自然界不存在單獨(dú)的N極或S極，即不存在磁單極子，而自然界卻存在單獨(dú)的正電荷和負(fù)電荷，等等。

教學(xué)過(guò)程中，我們將這些“相似情境”放在一起，學(xué)生因?yàn)椤跋嗨魄榫场倍a(chǎn)生的思維定式，容易使他們得出錯(cuò)誤的結(jié)論。正確答案公布之后，往往能夠使學(xué)生產(chǎn)生較強(qiáng)的心理沖擊。教師可順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析比較，讓他們仔細(xì)體會(huì)相似情境中的“不對(duì)稱”性，深化學(xué)生對(duì)物理規(guī)律和物理本質(zhì)的理解。

（責(zé)任編輯易志毅）