淺以“人船模型”為例，談科學(xué)思維的培養(yǎng)

楊麗紅

摘 要：在高中物理模型的教學(xué)過(guò)程中，需要合理的設(shè)置問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型、科學(xué)推理、科學(xué)論證的思維能力。本文中以人船模型為例，以學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展水平為導(dǎo)向設(shè)置變式訓(xùn)練，逐層培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;人船模型;變式訓(xùn)練

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017）》中提到的物理學(xué)科核心素養(yǎng)涵蓋了物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度，其中提到的科學(xué)思維被分為五個(gè)水平[1]，每個(gè)水平的要求在逐層提高。因此，在物理模型的教學(xué)中，需要經(jīng)過(guò)模型分析構(gòu)建，由淺入深，設(shè)置變式訓(xùn)練，循序漸進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握其特點(diǎn)、規(guī)律和實(shí)質(zhì)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

動(dòng)量守恒定律是高中物理的重要內(nèi)容，“人船模型”是守恒定律應(yīng)用問(wèn)題中典型的物理模型。下面以人船模型為例結(jié)合科學(xué)思維建立、培養(yǎng)，具體分析如下：

一、原型呈現(xiàn)

如下圖1所示，質(zhì)量為m1、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的船停在靜水中，質(zhì)量m2的人靜止在船頭，當(dāng)人從船頭走到船尾的過(guò)程中，求船對(duì)地的位移（不計(jì)水對(duì)船的阻力）。

分析：以人和船組成的系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在人從船頭走到船尾的過(guò)程中，由于不計(jì)水對(duì)船的阻力，系統(tǒng)在x方向上合外力為0，所以在x方向上系統(tǒng)動(dòng)量守恒。以人運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)檎较?，系統(tǒng)的初總動(dòng)量為0，由動(dòng)量守恒定律得：

m1v船-m2v人=0

由等式可知，當(dāng)人向前加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，船同時(shí)向后也做加速運(yùn)動(dòng);當(dāng)人向前勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，船同時(shí)向后也做勻速運(yùn)動(dòng);當(dāng)人向前減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，船同時(shí)向后也做減速運(yùn)動(dòng);當(dāng)人停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，船也同時(shí)也停止運(yùn)動(dòng)。設(shè)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人對(duì)地的平均速度為，船對(duì)地的平均速度為，則有：

m1-m2=0

而對(duì)地位移：，即有：m1v船-m2v人=0;

畫出此過(guò)程的運(yùn)動(dòng)情景圖如圖2：

由圖可知：x人+x船=L，聯(lián)立以上，解得x船。

該模型研究對(duì)象是人船兩物組成的系統(tǒng)，由于系統(tǒng)在x方向上合外力為0的情況下，所以x方向上動(dòng)量守恒。此模型涵蓋了物理觀念中的水平1、2、3，能從物理學(xué)的角度觀察、描述和解釋自然生活現(xiàn)象，有物理與實(shí)際相結(jié)合的意識(shí)，并用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題[1]。該系統(tǒng)在相互作用下各自運(yùn)動(dòng)，在x方向上動(dòng)量始終守恒，體現(xiàn)了科學(xué)思維素養(yǎng)中的水平1、2，也就是能對(duì)常見(jiàn)的物理現(xiàn)象能夠結(jié)合物理知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，進(jìn)一步能對(duì)簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象結(jié)合物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析推理并獲得相關(guān)結(jié)論[1]。

二、設(shè)置模型變式訓(xùn)練，建立科學(xué)思維

（一）訓(xùn)練一

如圖3底邊長(zhǎng)為b、質(zhì)量為M的斜劈靜止于光滑水平面上，有一個(gè)質(zhì)量為m的滑塊從斜劈頂部靜止釋放滑到底部時(shí)，求斜劈的位移。

分析：以斜劈和滑塊組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，滑塊由斜劈頂部無(wú)初速度滑到底部的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)水平方向動(dòng)量守恒，兩者在水平方向上對(duì)地的位移滿足“人船模型”的位移關(guān)系。設(shè)斜劈移動(dòng)s，則由水平動(dòng)量守恒得：

解得：

題中系統(tǒng)在相互作用下各自運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的初動(dòng)量為0，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)x方向上不受外力，系統(tǒng)在x上動(dòng)量守恒，即可視為“人船模型”，應(yīng)用該模型中兩物的位移關(guān)系則可快速得解。把斜面上物體運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題和人船模型的特點(diǎn)對(duì)照分析，把問(wèn)題歸類到熟悉的物理模型中，這屬于科學(xué)思維素養(yǎng)水平2、3層次的培養(yǎng)，即能從不同的角度思考問(wèn)題，對(duì)簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、推理，用已有的實(shí)用證據(jù)模型結(jié)合分析并得到結(jié)論[1]。

（二）訓(xùn)練二

一質(zhì)量為m1的載人氣球開(kāi)始靜止在離地為H的空中，質(zhì)量為m2的人要沿氣球繩梯緩慢滑至地面，求繩梯的最小長(zhǎng)度。（不計(jì)空氣阻力、軟繩梯質(zhì)量。）

分析：以氣球與人組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，系統(tǒng)在y方向上不受外力，系統(tǒng)在相互作用下各自運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)中y方向上動(dòng)量守恒?？深惐葂方向動(dòng)量守恒的人船模型。設(shè)細(xì)繩的最小長(zhǎng)度為l，以人的對(duì)地運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较颍?dāng)人向下滑至地面時(shí)，向下運(yùn)動(dòng)的距離為H，同時(shí)氣球向上移動(dòng)，氣球?qū)Φ厣仙母叨葢?yīng)為（l-H），如圖4所示，由動(dòng)量守恒定律得：

解得：

題中人與氣球的系統(tǒng)在相互作用下各自運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)任始終都不受外力，系統(tǒng)在y上動(dòng)量守恒。屬于豎直方向、系統(tǒng)總動(dòng)量始終為零的“人船模型”，有人向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)氣球向上運(yùn)動(dòng)、人加速球加速，人減速球減速、人停球停等與“人船模型”一致的有關(guān)速度、位移關(guān)系的結(jié)論。這屬于科學(xué)思維素養(yǎng)水平3層次的培養(yǎng)，即在熟悉的問(wèn)題情境中選用恰當(dāng)模型來(lái)解決簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題，用模型結(jié)論來(lái)分析常見(jiàn)的問(wèn)題，進(jìn)一步通過(guò)推理獲得結(jié)論、解釋結(jié)論[1]。

（三）訓(xùn)練三

如圖5，質(zhì)量m的小球通過(guò)長(zhǎng)L的輕質(zhì)細(xì)桿與滑塊上的光滑軸O連接，質(zhì)量M的滑塊套在光滑的水平軌道上，小球和輕桿可在豎直平面內(nèi)繞O軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始輕桿處于水平狀態(tài)。給小球m一個(gè)豎直向上的初速度，試求小球起始位置與小球擊中滑塊右側(cè)軌道位置點(diǎn)間的距離。

分析：將小球和滑塊視為系統(tǒng)，靠著系統(tǒng)間相互作用小球繞著滑塊擺，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中x方向上合外力為零，x方向上的動(dòng)量守恒，系統(tǒng)初動(dòng)量為0，因此小球和輕桿在豎直平面內(nèi)繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)到右側(cè)與軌道接觸的過(guò)程，是涉及圓周運(yùn)動(dòng)的“人船模型”，以小球與滑塊組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，以小球速度在x方向分量為正方向，設(shè)小球在此過(guò)程中對(duì)地的水平位移為x1，滑塊對(duì)地的位移為x2，畫出此過(guò)程的運(yùn)動(dòng)情景圖如圖6，由動(dòng)量守恒定律得：

解得：

本題涉及滑塊的平移和小球的轉(zhuǎn)動(dòng)，以曲線運(yùn)動(dòng)情景呈現(xiàn)，看似復(fù)雜的問(wèn)題，但水平方向仍滿足“人船模型”特征，實(shí)際上是動(dòng)量守恒定律的深層理解和應(yīng)用。對(duì)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，抓住系統(tǒng)在中某個(gè)方向上滿足條件，仍可運(yùn)用動(dòng)量守恒求解，不受運(yùn)動(dòng)過(guò)程細(xì)節(jié)的影響，屬于科學(xué)思維素養(yǎng)水平4，即能將實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成基本物理模型，對(duì)綜合性物理問(wèn)題進(jìn)行分析和推理，獲得結(jié)論并作出解釋[1]。

結(jié)束語(yǔ)

以上所討論的“人船模型”結(jié)合科學(xué)思維的逐層培養(yǎng)涉及到的認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、推理和歸納問(wèn)題的思路和方法具有普遍意義。因此，在高中物理的教學(xué)實(shí)際中應(yīng)注意：1.在模型教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生將生活情境抽象為理想物理模型的能力，以及分析模型、歸納模型特征結(jié)論的能力;2.在模型的變式訓(xùn)練中加深學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)識(shí)和理解，能從復(fù)雜的物理情景中分析問(wèn)題，認(rèn)識(shí)問(wèn)題的本質(zhì)并應(yīng)用模型結(jié)論;3.不斷總結(jié)提升，結(jié)合教學(xué)情況創(chuàng)造性地開(kāi)展教學(xué)與評(píng)價(jià)工作，促進(jìn)學(xué)生的感悟與運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

[1]教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.1.