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    物理核心素養(yǎng)之科學(xué)思維的培養(yǎng)
    ——彈力概念和機(jī)械能守恒定律的再理解

    2019-06-21 00:47:50何幫玉
    物理通報(bào) 2019年6期
    關(guān)鍵詞:機(jī)械能彈力塑性

    何幫玉

    (銅陵市第一中學(xué) 安徽 銅陵 244000)

    高中物理學(xué)科的“核心素養(yǎng)”,共有4個(gè)維度:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.科學(xué)思維這一要素的內(nèi)容,要求學(xué)生學(xué)會(huì)質(zhì)疑創(chuàng)新,不盲目迷信權(quán)威,敢于提出自己的看法和觀點(diǎn).當(dāng)然,對(duì)于中學(xué)生來說,這一項(xiàng)要求難度較大.不過,教師在教學(xué)過程中,能夠抓住機(jī)會(huì),培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)思維”這方面的意識(shí)還是很有必要.筆者在教學(xué)過程中有這樣一次經(jīng)歷.

    1 師生探究

    在《物理·選修3-5》(人教版)教學(xué)過程中,完成“第十六章動(dòng)量守恒定律”教學(xué)時(shí),有個(gè)學(xué)生提出疑問:如圖1所示,滑塊發(fā)生完全非彈性碰撞,兩滑塊組成系統(tǒng)機(jī)械能不守恒.可是有問題了,滑塊在碰撞過程中,它們間作用力是不是彈力?不是彈力又是什么力呢?若是彈力,根據(jù)機(jī)械能守恒條件,系統(tǒng)內(nèi)彈力做功,機(jī)械能應(yīng)該守恒,但這與事實(shí)不符.提出這一問題的學(xué)生是物理競(jìng)賽小組的成員.

    圖1 滑塊發(fā)生完全非彈性碰撞示意圖

    這一疑問,首先要回答的問題是:完全非彈性形變(塑性形變)是否有彈力?然后再討論機(jī)械能守恒條件.物理競(jìng)賽小組共有31名學(xué)生,將他們分成兩組,布置任務(wù):第一組學(xué)生上網(wǎng)查資料,有關(guān)塑性形變與彈力的問題;第二組學(xué)生查找大學(xué)普通物理教材或競(jìng)賽用書,看看機(jī)械能守恒定律是如何表述的.

    經(jīng)過一周的時(shí)間,兩組學(xué)生均完成了任務(wù).第一組學(xué)生在網(wǎng)上查找了數(shù)十篇論文,并作了整理.第二組學(xué)生找到了3本普通物理教材和多本競(jìng)賽用書.

    筆者專門安排了一堂討論課(用了2個(gè)課時(shí)),先討論彈力的概念,再重新理解機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容.

    1.1 彈力的概念

    第一組的學(xué)生將他們整理的提綱板書在黑板上,逐條展開討論,然后形成如下共識(shí).

    (1)物理課本上所說的“彈力”,一般是指類似于彈簧的彈力(在彈性限度內(nèi)).發(fā)生形變的物體有彈性勢(shì)能,在撤去外力后,物體能夠恢復(fù)原狀,物體具有這樣的性質(zhì),就是通常所說的“彈性”.

    (2)不只在物體發(fā)生形變要恢復(fù)原狀的時(shí)候才能產(chǎn)生彈力,在物體發(fā)生形變的過程中,也有彈力的產(chǎn)生[1].

    (3)物體發(fā)生塑性形變時(shí),在形變的過程中是有彈力的,塑性形變結(jié)束后無彈力.這種“彈力”,中學(xué)物理課本沒有涉及到.

    基于以上3點(diǎn),筆者帶領(lǐng)學(xué)生大膽的提出一個(gè)創(chuàng)新的概念:“塑性力”. 將彈力分為“彈性力”和“塑性力”兩個(gè)概念,它們的異同點(diǎn)如表1所示.

    表1 “彈性力”與“塑性力”概念對(duì)比

    1.2再認(rèn)識(shí)機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容

    首先,將機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容板書在黑板上,選擇了一本競(jìng)賽用書(中學(xué)生更容易接受的語言)和中學(xué)教材分別表述.

    競(jìng)賽用書的表述:如果系統(tǒng)內(nèi)只有保守力做功,其他非保守力和一切外力不做功,則系統(tǒng)內(nèi)各物體的動(dòng)能和勢(shì)能之間可以互相轉(zhuǎn)化,但它們的機(jī)械能總和保持不變[2].

    中學(xué)物理課本上的表述:在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動(dòng)能與勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化,而總的機(jī)械能保持不變[3].

    (1)兩者相比較,競(jìng)賽用書上的表述沒有任何問題,圖1中的兩個(gè)物體碰撞過程中雖然有彈力,但是屬于非保守力的“塑性力”,機(jī)械能不守恒.中學(xué)課本上的“只有系統(tǒng)內(nèi)彈力做功,總的機(jī)械能保持不變”就無法解釋圖1的情況.

    (2)可以想到,中學(xué)課本上“系統(tǒng)內(nèi)的彈力”是指在彈性限度內(nèi)類似于彈簧的彈力,應(yīng)叫做“彈性力”.

    (3)編寫中學(xué)教材是要考慮中學(xué)生的知識(shí)水平,不能像普通物理教材或者競(jìng)賽用書上的表述,但也需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn).可以將“彈力”改為“彈性力”,再利用課本上的“說一說”“STS”等小欄目說明“彈性力”的概念,以及“塑性形變”中的彈力.或者在教學(xué)參考資料上增加相關(guān)內(nèi)容,供教師教學(xué)備課用.

    課堂上學(xué)生積極發(fā)言,氣氛活躍,有的學(xué)生敢于大膽地表述觀點(diǎn),閃耀出科學(xué)思維的火花.教育的本能是培養(yǎng)人的活動(dòng),在培養(yǎng)人的過程中要因材施教[4].

    2 教學(xué)延伸

    根據(jù)“塑性力”概念的引入,教師“趁熱打鐵”,進(jìn)一步說明3類碰撞過程中機(jī)械能如何變化,以兩小球碰撞為例,如圖2所示.

    圖2 兩小球碰撞過程示意圖

    彈性碰撞:第一階段發(fā)生完全彈性形變,兩球間作用力是彈性力,球1減速,球2加速,直到兩球具有相同速度,形變量達(dá)到最大,第一階段結(jié)束,一對(duì)彈性力做的總功為負(fù)值.

    由于彈性形變要恢復(fù)原狀,彈性力仍然存在,球1繼續(xù)減速,球2繼續(xù)加速,球2的速度大于球1的速度,兩球開始分開,直到完全脫離,第二階段結(jié)束,一對(duì)彈性力做的總功為正值.功能關(guān)系如圖3所示.

    圖3 彈性碰撞功能關(guān)系

    非彈性碰撞:第一階段彈性形變伴隨塑性形變,兩球間既有彈性力,又有塑性力,第一階段結(jié)束時(shí),一對(duì)彈性力和一對(duì)塑性力做的總功均為負(fù)值.

    彈性形變對(duì)應(yīng)的彈性力仍然存在,但塑性力消失,在彈性力作用下,球1繼續(xù)減速,球2繼續(xù)加速,兩球開始分開,直到完全脫離,第二階段結(jié)束,一對(duì)彈性力做的總功為正值.功能關(guān)系如圖4所示.

    圖4 非彈性碰撞功能關(guān)系

    完全非彈性碰撞:第一階段只有塑性形變,兩球間作用力是塑性力,第一階段結(jié)束時(shí),一對(duì)塑性力做的總功為負(fù)值.

    由于兩球速度相等時(shí),塑性形變不再變化,塑性力消失,兩球間無作用力,球速不變,即兩球以共同的速度運(yùn)動(dòng),因而沒有第二個(gè)恢復(fù)階段,顯然這種碰撞機(jī)械能損失最多.功能關(guān)系如圖5所示.

    圖5 完全非彈性碰撞功能關(guān)系

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