楊巨環(huán)

(北京市順義牛欄山第一中學(xué),北京 101301)

新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高中物理教學(xué)中進(jìn)行物理方法教育提出了很高的要求.高中物理教材中也呈現(xiàn)出了很多物理方法.例如,處理變力做功問(wèn)題使用的分割求和與微元的方法;處理平拋運(yùn)動(dòng)使用的合成與分解與等效的方法等等.

現(xiàn)在教師在物理知識(shí)形成過(guò)程的教學(xué)中,已經(jīng)相當(dāng)注重進(jìn)行物理方法的教育,但是在習(xí)題教學(xué)中常常更關(guān)注解法、結(jié)果與習(xí)題類型.這樣的物理習(xí)題教學(xué),顯然會(huì)使落實(shí)新課程要求的“過(guò)程與方法”目標(biāo)大打折扣.物理習(xí)題是實(shí)際物理問(wèn)題、物理現(xiàn)象經(jīng)過(guò)科學(xué)簡(jiǎn)化、科學(xué)抽象和理想化處理后的呈現(xiàn)形式,習(xí)題的解決過(guò)程必然內(nèi)含著物理方法的運(yùn)用;只要在物理習(xí)題教學(xué)中充分展開(kāi)解決問(wèn)題的全部思維過(guò)程,就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中充滿著豐富的物理方法.因此,教師不僅要在新授課教學(xué)中加強(qiáng)物理方法的教育,在習(xí)題教學(xué)中也要突出物理方法教育.學(xué)生增加了使用物理方法的實(shí)踐機(jī)會(huì),會(huì)獲得更多的應(yīng)用物理方法的成功體驗(yàn).

例如,學(xué)生在學(xué)習(xí)沖量之前,已經(jīng)學(xué)習(xí)了“變速直線問(wèn)題可通過(guò)分割求和與微元的方法將其轉(zhuǎn)化為勻速直線模型處理”,通過(guò)“力的合成與分解、運(yùn)動(dòng)的合成與分解”體會(huì)到了等效的方法.所以,求解勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力的沖量便可以應(yīng)用上述物理方法.下面一例是筆者在實(shí)際教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生使用多種物理方法的一次經(jīng)歷.

圖1

學(xué)生在作業(yè)中解答“如圖1,質(zhì)量為m的一質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)以速率v做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng).求質(zhì)點(diǎn)在從A到B的半個(gè)周期內(nèi)所受合外力的沖量”.這一題目時(shí),出現(xiàn)結(jié)論相悖的2種解法.

第1種解法:設(shè)周期為T(mén),由沖量公式I＝Ft得

第2種解法:由動(dòng)量定理有

I＝Δp＝mvB－mvA＝2mv,方向與vB相同.

學(xué)生覺(jué)得兩種解法都對(duì),但結(jié)論矛盾.

面對(duì)這種情況,筆者沒(méi)有像以往教學(xué)那樣采取習(xí)慣的告知式講授方式,即直接告訴學(xué)生沖量公式I＝Ft的適用條件是F為恒力,因向心力是變力,所以不可用沖量公式I＝Ft求解,只能用動(dòng)量定理,進(jìn)而重點(diǎn)講授解法2;而是基于本文提出的意識(shí),改變?yōu)橄率鎏幚矸绞?直接告之的講授方式雖然節(jié)省了時(shí)間,但是學(xué)生對(duì)錯(cuò)誤解法的錯(cuò)因不理解,只是機(jī)械記憶沖量公式I＝Ft的適用條件,而沒(méi)有領(lǐng)會(huì)該習(xí)題所蘊(yùn)含的物理方法,也不利于學(xué)生靈活運(yùn)用沖量概念解決問(wèn)題.從本文的立意出發(fā),筆者從展現(xiàn)學(xué)生兩種解法的矛盾結(jié)果入手,重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生自己分析解法錯(cuò)在哪里,進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生探究可用什么物理方法解決變力的沖量問(wèn)題.學(xué)生思考與探究過(guò)程如下.

(1)怎樣用沖量公式I＝Ft定量分析變力的沖量？你是否想到了應(yīng)用學(xué)過(guò)的物理方法來(lái)處理問(wèn)題？(引導(dǎo)應(yīng)用轉(zhuǎn)化法)將求變力沖量轉(zhuǎn)化成求恒力沖量.

圖2

(2)怎樣實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化？學(xué)生會(huì)聯(lián)想到無(wú)限分割思想.利用沖量公式I＝Ft定量可求解某一極短時(shí)間內(nèi)向心力的沖量.引導(dǎo)學(xué)生(應(yīng)用從整體到局部的分析法)在A、B兩點(diǎn)處取兩段極短且相等的時(shí)間,畫(huà)得A、B處的向心力如圖2所示.(應(yīng)用比較法)看圖比較這兩段極短時(shí)間內(nèi)的向心力的沖量有什么特點(diǎn)？能相互抵消的嗎？在從A到B的半周期內(nèi)還有其他部分的向心力沖量相互抵消嗎？畫(huà)出A與B的對(duì)稱軸O1O2,學(xué)生再畫(huà)出關(guān)于O1O2對(duì)稱的一般位置C和D點(diǎn).學(xué)生嘗試將C、D處向心力分解,發(fā)現(xiàn)FDx＝－FCx,則C、D兩處很短時(shí)間內(nèi)x軸(即A、B連線)方向沖量相抵消(對(duì)稱性、疊加法應(yīng)用).其他對(duì)稱點(diǎn)處也有同樣結(jié)果(從特殊到一般方法).

(3)由沖量公式判斷這半周期內(nèi)的沖量方向怎樣？這半周期內(nèi)的沖量應(yīng)怎樣計(jì)算？學(xué)生從圖中看出:合力在半周期內(nèi)的沖量等于半圓上各處分力Fy的沖量總和,故其沖量方向應(yīng)沿Fy方向,即vB的方向.

(4)解法1錯(cuò)在哪里？為什么解法2結(jié)果“2mv”小于解法1的結(jié)果“πmv”？

學(xué)生研究發(fā)現(xiàn),如果利用等效法將半周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的分力Fy取平均,設(shè)平均值為就可以將解法1沖量改寫(xiě)為而F變化范圍是0到y(tǒng)則必小于向心力結(jié)論與解法2相符.

(6)再次體驗(yàn):要求學(xué)生用兩種思路(定義法與定理法)求質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)向心力的沖量.學(xué)生分別用“沖量概念”、“動(dòng)量定理”兩種思路得到相同結(jié)果I＝0.兩種思路達(dá)到了和諧統(tǒng)一,學(xué)生體驗(yàn)到了研究的快樂(lè).

讓學(xué)生在“轉(zhuǎn)化法”、“微元法”、“疊加法”、“等效法”等多種方法的導(dǎo)引下主動(dòng)地去求解向心力的沖量,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到公式I＝Ft對(duì)變力也可以使用,解釋了原來(lái)兩種解法的矛盾,成功激發(fā)起學(xué)生主動(dòng)釋疑的自我學(xué)習(xí)要求,也使學(xué)生感受到兩種相悖的結(jié)論如何在科學(xué)推理中求得和諧的美感.

筆者認(rèn)為,如果進(jìn)一步思考,第1種處理方式背后對(duì)應(yīng)的教學(xué)理念是,物理教學(xué)的目標(biāo)為傳授知識(shí),重視結(jié)論,不關(guān)注知識(shí)獲取的過(guò)程.日常習(xí)題教學(xué)會(huì)表現(xiàn)出通過(guò)反復(fù)強(qiáng)化、多次重復(fù)來(lái)記憶知識(shí),強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、機(jī)械訓(xùn)練.學(xué)生思維能力、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力得不到有效提高.第2種處理方式背后對(duì)應(yīng)的教學(xué)理念,則是落實(shí)物理新課程的三維目標(biāo),由關(guān)注知識(shí)傳授向重視能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變,倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于探究、勤于動(dòng)手.明確掌握物理方法比掌握具體的物理知識(shí)更具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義.與此同時(shí),學(xué)生也真正獲得了求變力沖量的過(guò)程體驗(yàn),從而對(duì)沖量概念和動(dòng)量定理有扎實(shí)的理解,同時(shí)又強(qiáng)化了物理方法的訓(xùn)練.學(xué)生能在物理方法層面上理解和體驗(yàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程,無(wú)疑會(huì)提高今后主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性.

需要指出,第2種處理方式對(duì)教師提出了較高的要求,不僅要樹(shù)立新的教育理念,而且要深刻地認(rèn)識(shí)到物理方法是物理知識(shí)和能力的聯(lián)接“橋梁”,加強(qiáng)物理方法教學(xué)還是抓好探究性學(xué)習(xí)的一個(gè)重要突破口.

1 張憲魁.高中物理科學(xué)方法“知法并行教學(xué)模式”［J］.物理教師,2013(6).

2 陳林橋,吉文忠.淺談高中物理教材中的物理思想方法［J］.物理教師,2013(2).

3 徐志長(zhǎng).高中物理科學(xué)方法教育的研究［J］.課程·教材·教法,2002(6).