物質(zhì)觀在物理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用舉例

吉武龍

(甘肅省靜寧縣第一中學(xué) 743400)

2019年教育部考試中心頒發(fā)了《中國高考評(píng)價(jià)體系》，該體系針對(duì)新高考分別從一核、四層、四翼三個(gè)方面提出新的要求，其中四層包括核心價(jià)值，學(xué)科素養(yǎng)，關(guān)鍵能力，必備知識(shí).物理觀念作為物理學(xué)科素養(yǎng)之一，要求學(xué)生形成經(jīng)典物理體系中的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀，并且能用來解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題.物質(zhì)觀，即物質(zhì)客觀存在的性質(zhì)，不依賴于人的感覺而存在.另外，解決問題的方法，往往蘊(yùn)藏于問題本身，因此，我們要解決問題，必須清楚研究的問題是什么，研究的物體，即對(duì)象是誰.比如摩擦力方向的判斷，電場(chǎng)性質(zhì)的研究，電路動(dòng)態(tài)分析中最大功率的計(jì)算，熱學(xué)中變質(zhì)量問題的相關(guān)計(jì)算等，都是中學(xué)物理學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，學(xué)生往往學(xué)的似懂非懂.下面以這些問題為例，利用物質(zhì)觀分析并解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的困惑和易錯(cuò)點(diǎn).

1 物質(zhì)觀在判斷摩擦力方向中的應(yīng)用

必修一教材中通過大量實(shí)驗(yàn)證明“摩擦力方向與物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反”，但是學(xué)生在具體應(yīng)用時(shí)，往往會(huì)犯難，尤其是在傳送帶問題或者滑板物塊模型中分析摩擦力方向時(shí)，不會(huì)分析甚至得到相反的答案.

如圖1所示，傳送帶以速度v順時(shí)針勻速傳動(dòng)，物塊無初速度地放在傳送帶上，根據(jù)滑動(dòng)摩擦力方向的判斷方法，物塊受傳送帶的摩擦力方向和物體相對(duì)傳送帶的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而得到物塊受傳送帶的摩擦力方向向右.解決這類問題的關(guān)鍵是先根據(jù)問題選擇研究對(duì)象.

圖1 圖2

在圖2所示的情境中，傳送帶逆時(shí)針勻速傳動(dòng)，物塊輕輕的放在傳送帶上，物塊相對(duì)傳送帶是沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，得出物塊所受傳送帶的摩擦力方向沿斜面向下.

例1 判斷圖3中物塊受地面的摩擦力方向.

圖3

解析解題時(shí)心中只有物塊，摒棄所有的干擾因素，由于三個(gè)情景中物塊相對(duì)于地面都是向右運(yùn)動(dòng)，且物塊受地面的摩擦力方向與物塊與地面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，因此物塊受地面的摩擦力方向均向左.

2 物質(zhì)觀在電場(chǎng)性質(zhì)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

3 物質(zhì)觀在計(jì)算電阻功率中的應(yīng)用

在解決電路的動(dòng)態(tài)分析問題中，計(jì)算可變電阻的最大功率是一個(gè)難點(diǎn)，常用等效法解決.

例2如圖4閉合回路中，電源內(nèi)外電壓之和為E、電池內(nèi)部阻值為r，和一個(gè)定值電阻及滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，已知R0=r，滑動(dòng)變阻器的最大阻值是2r.若滑動(dòng)變阻器的滑片從最左邊向右滑動(dòng)，以下選項(xiàng)合理的是( ).

圖4

A.電源的輸出功率先變小后變大

B.電源的輸出功率先變大后變小

C.滑動(dòng)變阻器消耗的功率變小

D.定值電阻R0上消耗的功率先變大后變小

4 物質(zhì)觀在物理量確定中的應(yīng)用

牛頓第二定律F=ma，公式的形式很簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)生犯錯(cuò)也比較多，錯(cuò)誤的原因也很相似，就是當(dāng)題目情境中的物體有兩個(gè)及以上時(shí)，容易張冠李戴.結(jié)合物質(zhì)觀，我們首先確定要研究的物體m，在此基礎(chǔ)上，受力分析也只對(duì)選的m進(jìn)行受力分析，加速度a也只針對(duì)選的m進(jìn)行求解，從而做到一一對(duì)應(yīng)便不會(huì)出錯(cuò).

5 物質(zhì)觀在變質(zhì)量問題中的應(yīng)用

高中物理中涉及變質(zhì)量的問題主要包括熱學(xué)中氣體計(jì)算類問題和動(dòng)量中的流體類問題.熱學(xué)計(jì)算中常見的研究對(duì)象是活塞和氣體，如果是活塞，質(zhì)量不變，題目類型相當(dāng)于靜力學(xué)或者動(dòng)力學(xué)問題，學(xué)生比較容易解決.當(dāng)研究對(duì)象是氣體，尤其當(dāng)氣體質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，由于熱學(xué)中的所有定律都只適用于質(zhì)量不變的氣體，學(xué)生常常對(duì)此束手無策.現(xiàn)就此類典型問題應(yīng)用物質(zhì)觀加以舉例分析.

在充氣放氣問題中，氣體從容器中放出來后，由于擴(kuò)散，造成前后質(zhì)量發(fā)生變化，學(xué)生在解題時(shí)找不到該選擇哪部分進(jìn)行研究而困惑.從物質(zhì)觀角度分析的話，如果是放氣問題，那么氣體初始狀態(tài)對(duì)應(yīng)的是一整個(gè)容器中的氣體，因此放出的氣體在后續(xù)的問題中也需要考慮，可以假想出而不走，從而正確選擇了研究對(duì)象且保持不變.如果是充氣問題，由于氣體最終的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的也是一整個(gè)容器，而整個(gè)容器中的氣體是不斷充進(jìn)去的，所以在選擇研究對(duì)象時(shí)需要將容器中原來的氣體和每次充的氣體整體作為研究對(duì)象.

在動(dòng)量章節(jié)中，粒子流和液體流等流體類問題的質(zhì)量都是連續(xù)變化的，和學(xué)生形成的恒質(zhì)量問題的思維慣性不一致，導(dǎo)致研究對(duì)象無從選起，形成學(xué)習(xí)中的一大難點(diǎn).為了突破該難點(diǎn)，也應(yīng)該教學(xué)生建立物質(zhì)觀.由于該類問題大多是求解接觸面上的沖擊力大小，而該沖擊力是接觸力，雖然液體是連續(xù)不斷流動(dòng)的，但是在該問題中，真正產(chǎn)生作用的只是和作用面接觸的一小部分液體沖擊造成的，因此我們?nèi)O短時(shí)間Δt內(nèi)的一小段液體或者微粒進(jìn)行研究，已知速度是v，密度是ρ，接觸面積s，可以求出Δt時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的液體質(zhì)量為Δm=ρvsΔt，從而可以化變質(zhì)量問題為恒質(zhì)量問題，使問題得以簡(jiǎn)化.

6 物質(zhì)觀可以幫助我們正確地分析生活現(xiàn)象

樹立良好的物質(zhì)觀，可以幫助人們理性地分析生活現(xiàn)象，不會(huì)盲目的輕信謠言.如圖5，在某次軍事演習(xí)活動(dòng)時(shí)，有視頻拍到某架飛機(jī)后邊出現(xiàn)了一個(gè)不明物體，就有謠言稱不明物體是從飛機(jī)上掉落的艙門.后來有物理學(xué)者從物質(zhì)觀的角度分析并辟謠，如果此物體真的是從飛機(jī)掉落的艙門或其他物體的話，那么在掉落以前，該物體和當(dāng)時(shí)勻速飛行的飛機(jī)保持相對(duì)靜止，掉落后該物體由于慣性，該物體在水平方向繼續(xù)做勻速直線運(yùn)動(dòng)和飛機(jī)保持相對(duì)靜止，不可能落到飛機(jī)后面去.后來事實(shí)證明視頻中的小黑點(diǎn)不是從飛機(jī)上掉落的物體，而是一架無人拍攝機(jī).

圖5

由以上幾個(gè)事例可知，作為學(xué)習(xí)物理的學(xué)生，在學(xué)習(xí)生活中，需要形成良好的物質(zhì)觀，時(shí)時(shí)做到眼中有具體確定的物，才能做到心中有所思.只有形成良好的物質(zhì)觀念，在分析生活現(xiàn)象、分析物理問題中才不會(huì)因偏離方向而感到困惑，從而達(dá)到精準(zhǔn)解決問題的目的.