讓物理場景在思維的“高速攝影機(jī)”下重演①

(江蘇省海門市海南中學(xué),江蘇 南通 226100)

①本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“初中課堂學(xué)程生態(tài)化建設(shè)研究”(編號:E-c/2016/19)和南通市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“基于物理科技制作的STEM課程開發(fā)研究”(編號：GH2018083)的階段性研究成果。

在物理學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力是提高學(xué)生核心素養(yǎng)的一個(gè)重要方面,通常我們認(rèn)為觀察能力的培養(yǎng)需要在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行,只有仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,才能取得有效的甚至是突破性的發(fā)現(xiàn)，例如阿基米德原理、電磁感應(yīng)定律等的發(fā)現(xiàn)就充分說明觀察能力、判斷能力的重要性。有時(shí)科學(xué)家一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，例如奧斯特的磁生電實(shí)驗(yàn)、倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的實(shí)驗(yàn)等，甚至能改變物理學(xué)的進(jìn)程。

觀察能力可以體現(xiàn)在實(shí)踐操作中,其實(shí)也可以體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理和理論分析上，對于學(xué)生來說,在一些物理問題的分析解答中,我們也可以逐步培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力。如在做功及物體能量變化等問題中,條件往往比較隱蔽,不易發(fā)覺,可以明顯地判別學(xué)生的觀察能力的強(qiáng)弱。

1 聚焦研究對象，克服慣性思維

例1:小明用300N的力把一個(gè)質(zhì)量為2kg的鉛球推到8m遠(yuǎn)的地方,他在推鉛球時(shí)做的功最接近于( )。

A. 16J B. 300J

C. 2400J D. 條件不足，無法確定

解析：解答中學(xué)生普遍出現(xiàn)的錯(cuò)誤是選C選項(xiàng),理由是根據(jù)公式W=Fs可知,推力為300N,距離為8m,計(jì)算后得到2400J。此處學(xué)生的錯(cuò)誤就在于沒有仔細(xì)考慮鉛球在力的方向上通過的距離,而是想當(dāng)然地認(rèn)為該距離就是8m。在分析時(shí),教師可引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)關(guān)注“在推鉛球時(shí)”這幾個(gè)字,引導(dǎo)學(xué)生用“慢鏡頭”回放的方式在腦海中展示這個(gè)動(dòng)作,通過這樣的場景回放,學(xué)生立即發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤的原因,原來是把鉛球運(yùn)動(dòng)的距離當(dāng)成了手推鉛球的距離,但手推鉛球到底運(yùn)動(dòng)了多遠(yuǎn),題目中沒有給出條件,因此D選項(xiàng)正確。

2 “慢鏡頭”下展過程，微變化中找錯(cuò)因

例2(2018年淄博):如圖1所示,彎曲的跳板把人彈至高處,這個(gè)過程中人的動(dòng)能和重力勢能的變化情況是( )。

圖1

A. 動(dòng)能減小,重力勢能增大

B. 動(dòng)能增大,重力勢能減小

C. 動(dòng)能先增大后減小,重力勢能增大

D. 動(dòng)能先減小后增大,重力勢能減小

解析：學(xué)生往往會(huì)不加思索地選A選項(xiàng),粗看起來似乎也有道理。但是如果能靜下心,用“慢鏡頭”來仔細(xì)分析一下跳板把人彈起來的過程就會(huì)發(fā)現(xiàn)A選項(xiàng)遺漏了一個(gè)過程。題目中條件是“彎曲”的跳板把人彈起來,那么“彎曲”的跳板在伸直的過程中就有一個(gè)彈性勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程,此時(shí)人的動(dòng)能應(yīng)該是增加的,此后在繼續(xù)上升的過程中會(huì)減小。很顯然,選A選項(xiàng)的同學(xué)就忽視了這樣一個(gè)變化,從而導(dǎo)致得出錯(cuò)誤的結(jié)論，由分析可知選項(xiàng)C才是正確的。

這種變化的過程在教學(xué)中不一定都能找到錄像進(jìn)行回放,但是我們完全可以借助思維的“高速攝影機(jī)”來“觀察”物理現(xiàn)象的變化過程,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。

3 讓場景在思維的“高速攝像機(jī)”下重演

例3(2018年無錫):如圖2所示,彈簧的左端固定,右端連接一個(gè)小球,把它們套在光滑的水平桿上,a是壓縮彈簧后小球靜止釋放的位置,b是彈簧原長時(shí)小球的位置,c是小球到達(dá)最右端的位置。則小球從a運(yùn)動(dòng)到c的過程中,在(選填“a”“b”或“c”)位置機(jī)械能最大；從b到c的過程中,小球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的。

圖2

解析：本題中我們需要對小球從a運(yùn)動(dòng)到c的過程進(jìn)行分解,將整個(gè)運(yùn)動(dòng)場景在思維的“攝影機(jī)”下重演。由于b是彈簧的原長位置,在從a運(yùn)動(dòng)到b的過程中，彈簧一直對小球有向右的彈力,但是彈力在不斷變小,直到小球到達(dá)b點(diǎn)時(shí)彈力為0。通過“慢鏡頭”的“回放”立即發(fā)現(xiàn)：此處是學(xué)生易發(fā)生錯(cuò)誤的地方,學(xué)生通常認(rèn)為：彈力變小時(shí)速度也會(huì)變小。為了幫助學(xué)生理解,我們可以與日常生活中的示例進(jìn)行類比,某商店?duì)I業(yè)額從周一到周五分別是2000元、1000元……依次減少,那么本周商店的營業(yè)總額是增加還是減小?同樣,在小球由a位置運(yùn)動(dòng)到b位置的過程中,由于水平桿是光滑的,只要受彈力作用,它的速度就會(huì)不斷增加,直到彈力為0，所以小球在b位置的動(dòng)能最大。過了b點(diǎn)以后,小球由于慣性,仍然向前運(yùn)動(dòng),彈簧被小球拉長,此時(shí)彈簧對小球的拉力阻礙了小球的運(yùn)動(dòng),速度逐漸減小,因此小球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能。

在此場景中,小球的加速、減速都是在一個(gè)極短的瞬間完成的,此時(shí)教師要引導(dǎo)學(xué)生借助思維中的“攝像機(jī)”,將之調(diào)節(jié)到“慢鏡頭”的狀態(tài)下來進(jìn)行分析,才能得出正確的結(jié)論。

4 受力分析——思維“攝影機(jī)”下的“手術(shù)刀”

例4:如圖3所示,彈簧左端固定于豎直墻壁,右端與物塊M連接,置于粗糙水平面上,當(dāng)M位于O點(diǎn)時(shí)彈簧恰好不發(fā)生形變?，F(xiàn)將物塊M拉至A處由靜止釋放,M向左最遠(yuǎn)可運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)。則物塊( )。

圖3

A. 從A到O一直加速運(yùn)動(dòng)

B. 從A到O先加速后減速

C. 從O到B先加速后減速

D. 從O到B先勻速后減速

解析：我們?nèi)越柚谒季S的“慢鏡頭”來重演物體的運(yùn)動(dòng)場景，解答本題時(shí)學(xué)生會(huì)誤選A選項(xiàng),他們認(rèn)為：彈簧把M拉過來肯定是在不斷加速。學(xué)生發(fā)生錯(cuò)誤的原因其實(shí)就是沒有建立正確的運(yùn)動(dòng)場景,忽視了物體運(yùn)動(dòng)過程的“微變化”。如果我們把這個(gè)過程放慢,利用“慢鏡頭”來分析物體從A到O的運(yùn)動(dòng)過程,會(huì)發(fā)現(xiàn)：由于地面是粗糙的,物體M在向左運(yùn)動(dòng)的過程中受到了兩個(gè)力,一個(gè)是彈簧對它向左的拉力,另一個(gè)是地面對它向右的摩擦力,一開始由于拉力大于摩擦力,所以物體M向左做加速運(yùn)動(dòng),但是到了O點(diǎn)以后,彈簧已經(jīng)恢復(fù)到了原長,拉力已經(jīng)減為0,由于M與地面間的滑動(dòng)摩擦力不變,在物塊運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)之前就開始減速了,由此可知,B才是正確的選項(xiàng)。而從O點(diǎn)繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)的過程中,由于彈簧對M的彈力以及摩擦力的方向都向右,所以M應(yīng)是做減速運(yùn)動(dòng)。

由上述示例分析可知：幫助學(xué)生在腦海中把物體的運(yùn)動(dòng)場景用“慢鏡頭”播放,可以創(chuàng)設(shè)出良好的思維情境,在腦海中形成的“慢鏡頭”下,借助于思維“攝影機(jī)”下的“手術(shù)刀”——受力分析,畫出物體在水平方向受到的力,根據(jù)受力的大小及方向的變化即可得出正確的結(jié)論。

5 讓觀察力在思維的“慢鏡頭”下起飛

例5:如圖4所示,質(zhì)量不計(jì)的彈簧豎直固定在水平面上,在t=0時(shí)刻,將一金屬小球從彈簧正上方某一高度處由靜止釋放,小球接觸彈簧并將彈簧壓縮至最低點(diǎn)(形變在彈性限度內(nèi)),然后又被彈起離開彈簧,上升到一定高度后又下落,如此反復(fù)。通過安裝在彈簧下端的壓力傳感器,顯示出該過程中彈簧彈力F隨時(shí)間t的變化(如圖5)，不計(jì)空氣阻力。

圖4 圖5

(1) 在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,小球的機(jī)械能(填“守恒”或“不守恒”)；

(2) 小球動(dòng)能最小的時(shí)刻是(填t1、t2或t3)；

(3) 在t2～t3這段時(shí)間內(nèi),小球的動(dòng)能(填“先增大后減小”“先減小后增大”“一直增大”或“一直減小”)。

解析：本題是一道考查學(xué)生觀察力的典型例題,有一定的難度,但是如果我們掌握了在思維的“慢鏡頭”下觀察物體運(yùn)動(dòng)的方法,問題就能迎刃而解。

(1) 由于小球和彈簧之間存在著能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,小球的機(jī)械能是不守恒的。

(2) 小球動(dòng)能最小的時(shí)刻應(yīng)該是其壓縮彈簧最厲害的時(shí)候,此時(shí)動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能,彈力應(yīng)是最大,結(jié)合F-t圖像可知是t2時(shí)刻。

(3) 需要將此過程用“慢鏡頭”放大,結(jié)合物體受力分析,來考察它的運(yùn)動(dòng)過程。因?yàn)樵趖2時(shí)刻物體受到彈簧的彈力最大,此后物體將由靜到動(dòng),原因還是由于彈力大于小球的重力,所以小球?qū)?huì)向上加速運(yùn)動(dòng)；在小球上升過程中,彈簧在逐漸恢復(fù)原長,彈力逐漸減小,直到與重力大小相等,將不再加速。之后,因?yàn)閺椓π∮谥亓?所以小球向上做減速運(yùn)動(dòng)。在此過程中，小球的動(dòng)能應(yīng)是先增大后減小。通過教師的引導(dǎo)，將物理情景可視化，可以使學(xué)生的觀察能力在思維的“慢鏡頭”下得到有效提升。

6 結(jié)語

學(xué)生物理核心素養(yǎng)的提高不是一朝一夕就能做到的,它的形成貫穿于物理學(xué)習(xí)的整個(gè)過程中。在新授課的實(shí)驗(yàn)觀察中固然需要嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì),在復(fù)習(xí)鞏固課中的學(xué)生思維訓(xùn)練也是非常重要的。在平常的教學(xué)中,教師應(yīng)注重對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)、科學(xué)學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)。關(guān)注物理變化的“微過程”,用“慢鏡頭”重演物體的運(yùn)動(dòng)變化過程是打通學(xué)生思維的一個(gè)橋梁,讓我們的教學(xué)中多一些這樣的“微過程”“慢鏡頭”,讓觀察力在思維的“慢鏡頭”下起飛,真正提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。