例談物理概念定義的教學(xué)

摘 要：本文通過具體的案例，分析當(dāng)前物理概念定義教學(xué)中存在的問題，進(jìn)而提出相應(yīng)的教學(xué)策略，主要闡述概念是怎么來的、概念是什么、概念有什么用。

關(guān)鍵詞：案例；物理概念定義；教學(xué)策略

1 物理概念定義教學(xué)中存在的問題

很多物理教師認(rèn)為運(yùn)用二級結(jié)論可以快速解決問題，因此要求學(xué)生熟記有關(guān)二級結(jié)論。學(xué)生對物理概念引入與建立的背景以及條件不清楚，解決問題時經(jīng)常出現(xiàn)錯誤；更重要的是，學(xué)生對概念本質(zhì)的認(rèn)識不夠重視，只會套用公式或利用二級結(jié)論去解決問題。一旦遇到不能套用公式或利用二級結(jié)論的情況，就會出現(xiàn)無法解決問題的局面。下面列舉幾例說明。

例題 如圖所示，滑塊A1、A2由輕桿連接成一個物體，其總質(zhì)量為M，輕桿長為L?；瑝KB的質(zhì)量為m，長為L2，其左端為一小槽，槽內(nèi)裝有輕質(zhì)彈簧。開始時，B緊貼A1，彈簧處于壓縮狀態(tài)?，F(xiàn)突然松開彈簧，在彈簧作用下整個系統(tǒng)獲得動能Ek。彈簧松開后，便從側(cè)邊離開小槽并遠(yuǎn)離滑塊，以后B將在A1、A2之間發(fā)生無機(jī)械能損失的碰撞。假定整個系統(tǒng)都位于光滑的水平面上，求滑塊B的運(yùn)動周期。

解析：設(shè)松開彈簧后，滑塊B與A1、A2整體的速度分別為v、u，則有

Mu＋mv＝0，

12Mu2＋12mv2＝Ek。

設(shè)水平向右為正方向，則有

u＝－2EkmM（M＋m），v＝2EkMm（M＋m）。

設(shè)A2與滑塊B發(fā)生第一次碰撞后，滑塊B的速度變?yōu)関1，A1、A2整體的速度變?yōu)閡1，可得

mv1＋Mu1＝mv＋Mu＝0，

12mv21＋12Mu21＝12mv2＋12Mu2＝Ek，

則u1＝2EkmM（M＋m），

v1＝－2EkMm（M＋m）。

可見，A1、A2整體與滑塊B每次碰撞后速度大小不變，方向反向，滑塊B的運(yùn)動周期等于A2與滑塊B連續(xù)兩次碰撞所經(jīng)歷的時間間隔，則

T＝2L2－v1＋u1

＝LMm2Ek（M＋m）。

點(diǎn)評：本題在某地測試的得分率為10%。從學(xué)生的答題情況看，大部分學(xué)生雖然能列出碰撞過程中的動量守恒和動能守恒方程，并求出一次碰撞后兩物體的速度，但無法進(jìn)一步求出周期，這反映出不少學(xué)生對此體系運(yùn)動過程存在的周期性概念并不理解，不知道速度與周期的關(guān)系。本題首先要分析滑塊B的運(yùn)動是否具有周期性。通過分析滑塊B與A1和A2碰撞后的運(yùn)動情況，學(xué)生需要找出碰撞后速度與所要求的周期的關(guān)系，即通過求解速度來確定任意兩次碰撞之間的時間間隔。其次，要知道滑塊B的運(yùn)動周期是哪一段時間，即滑塊B與A2連續(xù)兩次碰撞的時間間隔為一個運(yùn)動周期。本題是對周期定義的引入與本質(zhì)的全面考查。

例題 回旋加速器的工作原理如圖所示，D1和D2是兩個中空的半徑為R的半圓形金屬盒，它們接在電壓一定、頻率為f的交流電源上，位于D1圓心處的質(zhì)子源A能不斷產(chǎn)生質(zhì)子（初速度可以忽略，重力不計），它們在兩盒之間被電場加速，D1、D2置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中。若質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P，求輸出時質(zhì)子束的等效電流I與P、B、R、f的關(guān)系式。（忽略質(zhì)子在電場中運(yùn)動的時間，其最大速度遠(yuǎn)小于光速）

解析：設(shè)質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q，離開加速器時速度大小為v。根據(jù)牛頓第二定律，可得qvB＝mv2R 。由周期公式，可得質(zhì)子離開加速器前的運(yùn)動周期T＝2πRv＝2πmqB，頻率為f＝1T。設(shè)在時間t內(nèi)，離開加速器的質(zhì)子數(shù)為N，可得質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P＝N·12mv2t。根據(jù)電流的定義，質(zhì)子束的等效電流為I＝Nqt，可得I＝PπBR2f。

點(diǎn)評：本題是某地高考的壓軸題，得分率也是10%。主要原因是本題設(shè)計了新的情境，要求學(xué)生將功率與電流的定義應(yīng)用到加速器輸出質(zhì)子時的平均功率和質(zhì)子束的等效電流問題求解中。質(zhì)子束的等效電流對學(xué)生來說是新的概念。如果學(xué)生能夠理解電流概念定義的內(nèi)涵，并將電流概念定義轉(zhuǎn)變成等效電流概念，進(jìn)而發(fā)展成粒子束的等效電流定義，就能解答本題。然而，在考試中，學(xué)生往往不能遷移運(yùn)用功率、電流等物理概念，也找不到可以套用的公式或二級結(jié)論。這歸于教師平時對物理概念定義教學(xué)的重視程度不夠。教師在教學(xué)過程中過分強(qiáng)調(diào)套用公式去刷題，導(dǎo)致學(xué)生沒能真正理解物理概念的實質(zhì)。一旦遇到新的情境，學(xué)生往往不能夠熟練運(yùn)用定義去解決問題。

2 物理概念定義的教學(xué)策略

物理概念是對事物客觀本質(zhì)的反映?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出：“物理概念的建立需要創(chuàng)設(shè)情境。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念之前，基于生活經(jīng)驗形成了大量的經(jīng)驗性常識，要在此基礎(chǔ)上建構(gòu)物理概念，必須對所觀察的現(xiàn)象重新加工，在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質(zhì)特征，完成從經(jīng)驗性常識向物理概念的轉(zhuǎn)變?！?sup>［1^］可見，物理概念教學(xué)有著一定的教學(xué)策略，即“積累感性材料，創(chuàng)設(shè)思維情境，主要是獲得感知；進(jìn)行科學(xué)抽象，找出本質(zhì)屬性，完成對問題的抽象；弄清引入目的，給出適當(dāng)定義，理解內(nèi)涵外延；辨析加練習(xí)，鞏固與深化，形成知識結(jié)構(gòu)”。^［2］依據(jù)這樣的概念教學(xué)策略，在物理教學(xué)中，教師要向?qū)W生講清楚以下三個問題，即“概念是怎么來的？概念是什么？概念有什么用？”只有這樣，學(xué)生才能在頭腦里形成清晰的物理概念。

2.1 概念的由來

教師應(yīng)該講清楚物理概念的建立背景，讓學(xué)生明白：某個物理概念是在什么樣的情境下，為研究什么問題而提出的？為什么要建立該概念？其主要意義是什么？即教師要讓學(xué)生清楚概念建立的背景、目的和意義。

例題 伽利略根據(jù)小球在斜面上運(yùn)動的實驗和理想實驗，提出了慣性的概念，從而奠定了牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)。早期的物理學(xué)家關(guān)于慣性有下列說法，其中正確的是（" ）。

A. 行星在圓周軌道上保持勻速率運(yùn)動的性質(zhì)是慣性

B. 物體抵抗運(yùn)動狀態(tài)變化的性質(zhì)是慣性

C. 沒有力作用，物體只能處于靜止?fàn)顟B(tài)

D. 運(yùn)動物體如果沒有受到力的作用，將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動

解析：慣性是物體保持原來運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)。圓周運(yùn)動速度大小不變，方向不斷改變，故選項A錯誤，選項B正確；沒有力的作用，物體保持靜止或做勻速直線運(yùn)動，選項C錯誤，選項D正確，故選B、D。點(diǎn)評：本題除了D選項外，B選項也是正確的。但是，選B選項的學(xué)生較少，主要原因是學(xué)生不知道慣性概念的引入背景、目的和意義，即不了解為什么要引入慣性的概念。這就需要教師在教學(xué)過程中介紹物理學(xué)史，讓學(xué)生了解物理學(xué)家們建立慣性概念的歷史過程，理解慣性是為了描述物體抗拒改變其運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)而特意引入的物理概念。

2.2 概念的本質(zhì)

在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生理解以下幾個方面：為何要給某個概念下這樣的定義，某個概念定義的實質(zhì)是什么，反映了哪些共同屬性，某個概念的內(nèi)涵是什么，其定義的適用范圍和條件是什么，這個概念的定義與其他概念的定義之間的聯(lián)系與區(qū)別等。

例題 R1、R2為兩個完全相同的定值電阻，R1兩端的電壓隨時間周期性變化的規(guī)律如圖1所示（三角形脈沖交流電壓的峰值是有效值的3倍），R2兩端的電壓隨時間按正弦規(guī)律變化如圖2所示。則兩個電阻在一個周期T內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比Q1∶Q2為（" ）。

A. 2∶3

B. 4∶3

C. 2∶3

D. 5∶4

解析：根據(jù)交流電壓有效值的定義可知，R1兩端的電壓U1的有效值滿足

U21R1T＝U032R1×T2＋U20R1×T2，

解得U1＝23U0。R2兩端電壓的有效值為U2＝U02，則阻值相等的兩個電阻在一個周期T內(nèi)產(chǎn)生的熱量之比Q1∶Q2＝U21∶U22＝4∶3。

點(diǎn)評：解答本題需要用到交流電壓有效值的概念。雖然有的學(xué)生熟記了正弦交流電壓的有效值與最大值的關(guān)系，但他們并不清楚交流電壓有效值的定義方式，從而不能正確運(yùn)用交流電壓有效值的定義去求解本題。

2.3 概念的應(yīng)用

判斷學(xué)生是否理解與掌握了概念的定義，關(guān)鍵是要看學(xué)生能否在新情境中應(yīng)用物理概念的定義去解決問題。理解與掌握概念的定義，不僅要求學(xué)生理解概念定義的內(nèi)涵，還要求學(xué)生理解概念定義的外延。只有當(dāng)學(xué)生理解了概念定義的外延，他們才能真正由“解題”走向“解決問題”，進(jìn)而促進(jìn)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

例題 一質(zhì)量為m、電荷量為q（q＞0）的帶電粒子始終在同一水平面內(nèi)運(yùn)動，其速度可用圖示的直角坐標(biāo)系內(nèi)一個點(diǎn)P（vx，vy）表示，vx、vy分別為粒子速度在水平面內(nèi)兩個坐標(biāo)軸上的分量。粒子出發(fā)時P位于圖中a（0，v0）點(diǎn)，粒子在水平方向的勻強(qiáng)電場作用下運(yùn)動，P點(diǎn)沿線段ab移動到b（v0，v0）點(diǎn)；隨后粒子離開電場，進(jìn)入方向豎直、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場，P點(diǎn)沿以O(shè)點(diǎn)為圓心的圓弧移動至c（－v0，v0）點(diǎn)；然后粒子離開磁場返回電場，P點(diǎn)沿線段ca回到a點(diǎn)。已知任何相等的時間內(nèi)P點(diǎn)沿圖中閉合曲線通過的曲線長度都相等。不計重力。求：

（1）粒子在磁場中做圓周運(yùn)動的半徑和周期；

（2）電場強(qiáng)度的大??；

（3）P點(diǎn)沿圖中閉合曲線移動1周回到a點(diǎn)時，粒子位移的大小。

解析：（1）略。（2）根據(jù)題意，已知任何相等的時間內(nèi)P點(diǎn)沿圖中閉合曲線通過的曲線長度都相等，根據(jù)a＝ΔvΔt可知，任意點(diǎn)的加速度大小相等，故可得Bq·2v0m＝Eqm，解得E＝2Bv0。（3）略。

點(diǎn)評：本題的第（1）問比較容易，而第（2）問很多學(xué)生不能正確求解，導(dǎo)致第（3）問也無法解答。主要原因是學(xué)生不能正確理解題目中“已知任何相等的時間內(nèi)P點(diǎn)沿圖中閉合曲線通過的曲線長度都相等”這句話的含義。本題的坐標(biāo)表示速度，因此曲線表示的是速度相應(yīng)的曲線，不是運(yùn)動軌跡；故由加速度的定義可知，這句話的意思是任意點(diǎn)的加速度大小相等，這樣即可根據(jù)帶電粒子在磁場和電場中的加速度大小相等列出方程，從而求解。本題把加速度的定義應(yīng)用到新的速度坐標(biāo)系情境之中，與傳統(tǒng)描述運(yùn)動軌跡的情境不同。學(xué)生只有理解了加速度的定義，并將其正確應(yīng)用到新的情境中才能解決本題。

3 總結(jié)

物理概念是物理學(xué)的支柱，沒有物理概念就不可能有物理學(xué)的大廈。物理概念是物理學(xué)家在物理學(xué)的發(fā)展過程中逐漸建立起來的。因此，在物理概念的教學(xué)中，教師要依據(jù)物理概念的教學(xué)策略，指導(dǎo)學(xué)生形成正確的物理概念。正如趙凱華先生所言：“概念的形成是首要的，然后才是名稱?！?sup>［3^］只有按照這樣的理念實施物理概念教學(xué)，才能夠讓學(xué)生真正地理解、掌握并應(yīng)用物理概念，進(jìn)而幫助學(xué)生樹立科學(xué)的物理觀念。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：52.

［2］李松嶺，李明雪.物理概念教學(xué)程序優(yōu)化研究［J］.湖南中學(xué)物理，2015，30（10）：13-14，18.

［3］趙凱華.概念的形成是首要的，然后才是名稱——談“重力”的定義［J］.物理教學(xué)，2011，33（1）：9-10.