陳 鉞, 柳建國

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探析物理課題研究——六w法則

陳 鉞, 柳建國

(湖南理工學院 物理與電子學院, 湖南 岳陽 414006)

以滑塊平面運動為研究課題, 闡述研究、學習、應用物理知識時必須回答的六個問題, 即六個“w”: “who？”選擇研究對象; “what is it？”建立物理模型; “when？”何時, “where？”何處, 建立物理環(huán)境模型; “what is it doing？”建立物理過程模型; “why-how do we deal with？”發(fā)現(xiàn)問題, 提出疑問, 尋求解決方法. 引導探索精神, 培養(yǎng)創(chuàng)造性思維.

滑塊; 滑動; 光滑; 物理實驗; 物理模型

物理學是一門實驗科學, 是對自然現(xiàn)象的觀察, 分析; 并進行模擬實驗, 尋求物理概念以及物理概念之間的關系——定律、定理, 形成理論體系.

物理學的研究、學習、應用過程如圖1所示.

圖1

從圖1可見: “實驗”是其靈魂, 實際物理現(xiàn)象是基本元素, 連習題也具有其背景, 而物理模型則是核心.

筆者以“滑塊的平面運動”這一經典物理課題為例, 形象地描述圖1全過程. 我們將發(fā)現(xiàn)研究、學習、應用物理知識過程就是在回答六個問題: 六個“w”.

圖2

1. 經典常規(guī)求解過程

(1) 一“w”(who？): 選定研究對象.整個物理系統(tǒng)僅滑塊運動, 取小滑塊為研究對象.

(2) 二“w”(what is it？): 建立研究對象的物理模型, 小滑塊平動可取其為質點模型(下文稱為質點).

(3) 三“w”與四“w”(when？where？): 何時？何處？分析質點運動全過程各時段所處外部物理環(huán)境, 建立物理環(huán)境模型.

① 處均勻重力場中, 質點受重力作用, 具有重力勢能.

②剛性光滑平面所形成的二面角.

(4) 五“w”(what is it doing？): 質點在干什么？建立質點運動的物理過程模型.

經典常規(guī)求解過程, 選取建立純平面滑動物理過程模型.

(5) 分析這五個“w”后開始求解:

質點運動全過程僅保守內力(重力)做功, 故機械能守恒(取水平面為零重力勢能參考平面).

2. 六“w”(why？)為什么？

這第六個“w”是物理研究、學習、應用的關鍵. 具有極其豐富多彩的內容, 推動著物理學科的不斷完善進步, 也不斷開創(chuàng)新的研究領域, 創(chuàng)造新的物理理論, 推進著物理在各領域的廣泛應用.

只要看了物理學發(fā)展史就可以看到這“why”的巨大功績——“科學技術是第一生產力”(why how do we deal with？) 為什么, 我們怎么辦？

故第五個“w”(what is it doing？)答案應為: 質點運動物理過程模型, 沿斜面加速下滑(滑動物理過程模型)到達點與水平面發(fā)生碰撞(完全非彈性斜碰物理過程模型), 再沿水平面滑動(滑動物理過程模型)才是正確的.

4. 質點在非光滑平面二面角運動, 應用純滑動物理過程模型是否可以正確解決問題？why？提出新問題.

第五個“w”(what is it doing)應怎么正確回答？面對二個“why？”我們用實驗尋找答案.

(1) 文[2]研究如圖2所示非光滑二面角上小滑塊的運動, 設定小滑塊與斜面、水平面間的滑動摩擦系數(shù)均為, 設計一組實驗:

使斜面傾角改變, 而滑塊靜置高度恒為, 采用純滑動物理過程模型研究:

(2)文[2]進一步深入實驗分析:

這一結論則與實驗結論完全相合, 為實驗證明其正確性. 可見當小滑塊運動在越過二平角棱線時必然發(fā)生了一次完全非彈性碰撞.

5. 文[1]、[2]總結: 滑塊在重力場中沿兩光滑平面組成的二面角運動時, 應采用滑動物理過程模型與完全非彈性斜碰物理模型的組合描述, 機械能并不守恒.

但立體二面角形成多樣, 并非只有如圖2所示一類情況, 也非只有下滑的情況. 上述結論普適嗎？

我們又面臨一個新的“why-How do we deal with？”文[3]“小滑塊運動綜合研究”分析, 論述小滑塊在各類型立體二面角上運動的各種形式, 證明: 當小滑塊越過二面角棱線時均會發(fā)生一次完全非彈性斜碰, 只要存在滑塊越過二面角棱線這一情況, 機械能就不守恒.

6. 圖2所示模型正描述了實際生產工藝流程中的運輸裝置: 高的出料口, 用斜板接到水平運輸皮帶上, 為什么出料口加接斜板？

(1)可利用“料”(谷、米、麥、煤、礦粉等)下泄重力勢能轉化為動能方便水平運輸, 節(jié)能.

(2)使“料”不直接沖擊皮帶, 否則長期沖擊造成機械損耗.

該“料”為大量小滑塊連續(xù)下滑, 由上文可知, 其滑下斜板與水平皮帶還是發(fā)生了完全非彈性碰撞, 耗了能也沖擊了水平皮帶. 怎么改進裝置才能節(jié)能, 減耗？

又是一個“why？”(why-how do deal with？)出現(xiàn)了.

文[1]指出: 可將出料口斜板改造為其下端有一圓柱面與水平皮帶水平光滑相吻, 則可解決. 這樣我們用物理知識提出了一個節(jié)能減耗的合理建議.

[1] 陳 鉞, 柳建國. 滑塊運動再研究[J]. 湖南理工學院學報, 2014, (27)

[2] 陳 鉞, 柳建國. 小滑塊在非光滑平面上運動再研究[J]. 湖南理工學院學報, 2015, (28)

[3] 陳 鉞, 柳建國. 小滑塊運動綜合研究[J]. 湖南理工學院學報, 2016, (29)

[4] 梁紹榮. 普通物理學第一分冊力學[M] . 第3版. 北京: 高等教育出版社, 2010

Analysis of Physical Research Projects: Six “W” Principle

CHEN Yue, LIU Jianguo

(College of Physics and Electronics, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China )

Taking the plane motion of the slider as a research topic, we discuss the six problems that must be answered when applying physics knowledge and studying, namely six "w": "who?" choosing the subject of study; "what is it?" building a physical model; "when?", “where?” to build the physical environment model; "what is it doing?” building a physical process model; "why - how do we deal with?” identify problems, ask questions, and seek solutions. Guiding the spirit of exploration and cultivating creative thinking.

slider, sliding, smooth, physical experiment, the physical model

2017-07-10

陳 鉞(1947? ), 男, 江蘇無錫人, 湖南理工學院物理與電子學院副教授. 主要研究方向: 電磁場理論、物理教學與研究

O313

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1672-5298(2017)04-0014-03