受力分析要注意狀態(tài)

王玲紅

受力分析，是學(xué)生學(xué)習(xí)高中物理的攔路虎，是力學(xué)學(xué)習(xí)乃至整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)必須具備的技能.由于高中較初中在受力分析方面遇到的問(wèn)題，無(wú)論是知識(shí)的擴(kuò)展，還是運(yùn)用其他知識(shí)的手段都加大了難度，所以學(xué)生進(jìn)入高一后往往無(wú)處適從.在受力分析方面出現(xiàn)的問(wèn)題和困難，使學(xué)生感覺(jué)高一物理難學(xué).正是這些原因，受力分析在高一教學(xué)中既是重點(diǎn)，也是難點(diǎn).在受力分析方面，學(xué)生出現(xiàn)的錯(cuò)誤種類很多，尤其以電場(chǎng)、磁場(chǎng)為背景的問(wèn)題中，出錯(cuò)率較高，其中有一典型錯(cuò)誤就是是受力分析不注意狀態(tài).下面談?wù)動(dòng)蓪W(xué)生的錯(cuò)解引發(fā)的思考.

一、對(duì)電荷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析不當(dāng)引起的錯(cuò)解

在學(xué)習(xí)高中物理人教版3-1第三章第6節(jié)后，學(xué)生遇到這樣一道題：如圖，用絲線懸吊于位置O，質(zhì)量為m的一帶電塑料球（不考慮大?。瑒驈?qiáng)磁場(chǎng)垂直于球運(yùn)動(dòng)的所在豎直面，已知球在豎直面內(nèi)擺動(dòng)，最大擺的角度為60°，當(dāng)球自左方向下擺到最低點(diǎn)時(shí)，絲線上的張力剛好是零，不考慮空氣阻力，則球返回運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)絲線上的拉力為（）.

A.0B.2mgC.4mgD.6mg

學(xué)生的錯(cuò)解形成過(guò)程：從“當(dāng)球自左方向下擺到最低點(diǎn)時(shí)，絲線上的張力剛好是零”這一條件分析可知，電荷帶正電，受到的磁場(chǎng)力也就是洛倫茲力方向向上，滿足磁場(chǎng)力等于重力，即有關(guān)系mg=Bqv.返回時(shí)由于運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，所以磁場(chǎng)力方向向下.由于磁場(chǎng)力不做功，不考慮空氣阻力，又是塑料小球，進(jìn)出磁場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，所以塑料小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滿足機(jī)械能守恒，故在最低點(diǎn)速度的大小是不變的，從而磁場(chǎng)力大小不發(fā)生變化.再進(jìn)行受力分析可知，懸線上的張力FT=mg+Bqv，從而得出FT=2mg，也就是選擇B.

正解：學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)解的原因，就出在分析受力，忽視了對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷.實(shí)際上，塑料球在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)擺動(dòng)做的是圓周運(yùn)動(dòng)，物體做圓周運(yùn)動(dòng)一定有指向圓心的向心力，第一次經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)是向上的磁場(chǎng)力和向下的重力的合力充當(dāng)向心力，而返回時(shí)是向上的繩子拉力和向下的重力、向下的磁場(chǎng)力的合力充當(dāng)向心力.具體求解過(guò)程是，設(shè)塑料球自左方擺到最低位置時(shí)速度為v，則由能量關(guān)系得：12mv2=mgL（1-cos60°），此時(shí)qvB-mg=mv2L.當(dāng)小球自右方擺到最低點(diǎn)時(shí)，v大小不變，洛倫茲力方向發(fā)生變化，此時(shí)FT-mg-qvB=mv2L，得FT=4mg.答案為C.

反思：在學(xué)習(xí)人教版必修一時(shí)，一開始學(xué)生遇到的是靜力學(xué)問(wèn)題，都是直接用平衡條件求解的.所以，平衡的思想給學(xué)生留下的印象特別深.在學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律后，學(xué)生明白處理非平衡問(wèn)題要用牛頓第二定律求解.如，在解超重失重類問(wèn)題時(shí)，我們關(guān)心的不是運(yùn)動(dòng)方向，而關(guān)心的是加速度方向.但是在遇到具體問(wèn)題時(shí)，學(xué)生往往會(huì)忽視這一點(diǎn).這就需要教師在教學(xué)中滲透這種思想，特別是學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)更要強(qiáng)化這種意識(shí).物體圍繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一定有指向圓心的合力，所以物體圍繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，根本談不上平衡.

二、教學(xué)建議

1.重視起始階段的基本功訓(xùn)練.為什么學(xué)生在解決物理問(wèn)題時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的錯(cuò)誤，筆者認(rèn)為主要是分析上的缺失，尤其是在起始學(xué)習(xí)階段，物理問(wèn)題簡(jiǎn)單，學(xué)生往往不注重對(duì)物理問(wèn)題情景進(jìn)行細(xì)致分析，受力分析作圖不夠規(guī)范，加上高一階段受力分析是從平衡狀態(tài)開始的，因此有些學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為當(dāng)速度為0時(shí)，處于平衡狀態(tài)，缺失了對(duì)平衡條件系統(tǒng)化的認(rèn)識(shí)，所以在高一階段的受力分析階段教學(xué)，一定要慢下來(lái)，讓學(xué)生細(xì)致分析物理問(wèn)題對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和過(guò)程，將所有力準(zhǔn)確地畫出來(lái).

2.注重知識(shí)和方法的正遷移.在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，有些學(xué)生在純力學(xué)情境中能夠受力分析，但是到了電場(chǎng)和磁場(chǎng)中就懵了，為什么？因?yàn)樗麄儧](méi)有完成知識(shí)與方法的正遷移.例如，學(xué)生能夠處理風(fēng)洞的受力分析，但是到了電場(chǎng)中類似的情境，電場(chǎng)力類似于風(fēng)力的處理就容易出錯(cuò)；學(xué)生在重力場(chǎng)中的豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題能夠解決，但是再加一個(gè)電場(chǎng)（如水平電場(chǎng)），就會(huì)錯(cuò)誤認(rèn)為速度最大處仍然在“最低點(diǎn)”.這是知識(shí)和方法負(fù)遷移的表現(xiàn).在受力分析后將重力與電場(chǎng)力合成，其合力相當(dāng)于只有重力場(chǎng)時(shí)的重力，繼而找到“等效最低點(diǎn)”和“等效最高點(diǎn)”，狀態(tài)分析才能準(zhǔn)確，方法和知識(shí)才能順利地被遷移過(guò)來(lái)，解題才不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤.