趙賀林

(北京市第八十中學(xué) 北京 100102)

中學(xué)物理學(xué)科能力，一個(gè)重要的表現(xiàn)就是科學(xué)思維能力，即從物理學(xué)科的視角認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及其相互關(guān)系，具體表現(xiàn)為學(xué)科思想方法的應(yīng)用能力.學(xué)科能力的培養(yǎng)，課堂是關(guān)鍵，因?yàn)椤罢n堂是核心素養(yǎng)落實(shí)到課程中最為微觀、具體的層面，是核心素養(yǎng)能否真正落地，培養(yǎng)出所需人才的重要環(huán)節(jié).”[1]

教師在平時(shí)的課堂教學(xué)中，如何根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)際情況，合理并盡可能地逐步滲透科學(xué)觀察與猜想，科學(xué)解釋?zhuān)茖W(xué)推理，科學(xué)論證，科學(xué)建模等學(xué)科思想方法，顯得尤為重要.特別是作為課堂教學(xué)重要組成部分的習(xí)題教學(xué)，它承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，感悟思想方法，提升思維能力和解決問(wèn)題能力的重要功能.那么，在習(xí)題的講評(píng)與訓(xùn)練中，怎樣滲透學(xué)科觀念和思想方法呢？下面以高中物理力學(xué)單位制的復(fù)習(xí)為例加以說(shuō)明.

眾所周知，高中物理力學(xué)單位制一節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，滲透給學(xué)生的主要物理觀念就是量綱分析法，即物理學(xué)的關(guān)系式在確定了物理量之間的關(guān)系時(shí)，也確定了物理量單位間的關(guān)系.因此，培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)物理量單位對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行論證和判斷，是物理學(xué)科應(yīng)用能力的要求和體現(xiàn)，同時(shí)在物理學(xué)科考查中也屢見(jiàn)不鮮.

【例1】2013年6月20日，女航天員王亞平在“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器里成功進(jìn)行了我國(guó)首次太空授課.授課中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)展示了失重狀態(tài)下液滴的表面張力引起的效應(yīng).在視頻中可觀察到漂浮的液滴處于相互垂直的兩個(gè)橢球之間不斷變化的周期性“脈動(dòng)”中.假設(shè)液滴處于完全失重狀態(tài)，液滴的上述“脈動(dòng)”可視為液滴形狀的周期性微小變化(振動(dòng))，如圖1所示.已知液滴振動(dòng)的頻率表達(dá)式為f=krαρβσγ,其中k為一個(gè)無(wú)單位的比例系數(shù)，r為液滴半徑(其單位為m)，ρ為液體密度(其單位為kg/m3)，σ為液體表面張力系數(shù)(其單位為N/m)，α,β,γ是相應(yīng)的待定常數(shù).對(duì)于這幾個(gè)待定常數(shù)的大小，下列說(shuō)法中可能正確的是( )

D．α=-3β=-1γ= 1

圖1 太空中漂浮的液滴形狀的周期性變化示意圖

試題設(shè)計(jì)意圖與分析:站在學(xué)生角度看，本題題目情景新穎，反映物理現(xiàn)象的規(guī)律陌生.該題旨在考查學(xué)生能否運(yùn)用物理量綱知識(shí)，分析、解決新問(wèn)題的能力.

從物理量綱分析，因?yàn)榈仁阶筮呂锢砹繛轭l率，因此，等式右邊單位也應(yīng)為頻率單位Hz(即s-1)，選項(xiàng)A中，代入數(shù)值得

故選項(xiàng)A錯(cuò)誤； 選項(xiàng)B中

選項(xiàng)B正確；對(duì)選項(xiàng)C

選項(xiàng)C錯(cuò)誤；在D選項(xiàng)中

選項(xiàng)D錯(cuò)誤.

點(diǎn)評(píng)：在討論物理問(wèn)題的因果關(guān)系時(shí)，作為與反映結(jié)果的諸多物理量之間，特別是作為結(jié)果的物理量的基本屬性(即量綱)，必須與作為原因的諸多物理量的基本屬性之間，建立反映該問(wèn)題物理本質(zhì)的固有聯(lián)系，可簡(jiǎn)單理解為等式兩邊物理量的單位必須相同.

【例2】圖2所示為一個(gè)內(nèi)、外半徑分別為R1和R2的圓環(huán)狀均勻帶電平面，其單位面積帶電荷量為σ.取環(huán)面中心O為原點(diǎn)，以垂直于環(huán)面的軸線為x軸.設(shè)軸上任意點(diǎn)P到O點(diǎn)的距離為x，P點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小為E.下面給出E的4個(gè)表達(dá)式(式中k為靜電力常量)，其中只有一個(gè)是合理的.你可能不會(huì)求解此處的場(chǎng)強(qiáng)E，但是你可以通過(guò)一定的物理分析，對(duì)下列表達(dá)式的合理性做出判斷.根據(jù)你的判斷，E的合理表達(dá)式應(yīng)為( )

設(shè)計(jì)意圖與試題分析:本題旨在闡明,當(dāng)我們需要判斷一個(gè)物理量的表達(dá)式是否正確時(shí)，首先要求其單位必須相同，如果等式兩邊單位不同，則結(jié)果必然錯(cuò)誤.在選擇題的解答中，以此作為判據(jù)，可以快速有效地排除錯(cuò)誤選項(xiàng).

圖2 圓環(huán)狀均勻帶電平面

該題等式左側(cè)E的單位與等式右側(cè)kσ單位相同，很容易做出判斷，選項(xiàng)A,C錯(cuò)誤； 同時(shí)結(jié)合極限思想，考慮到當(dāng)內(nèi)、外半徑R1和R2相等時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)E為零，可以得出只有選項(xiàng)B是合理的.

點(diǎn)評(píng)：雖然我們可能不會(huì)計(jì)算這樣的電場(chǎng)強(qiáng)度，但是我們可以通過(guò)量綱分析，對(duì)表達(dá)式的合理性做出判斷.在一些物理問(wèn)題中，有時(shí)我們即便不能完全清楚結(jié)果或規(guī)律的細(xì)節(jié)，但是如果利用量綱分析，僅從物理量單位的角度就可以得到一些有用的信息，得出一些初步的結(jié)論或定性的判斷，也能為科學(xué)探究過(guò)程中，科學(xué)猜想與假設(shè)提供依據(jù).物理教學(xué)中，這是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一種有效途徑和抓手.

【例3】已知O，A，B，C為同一直線上的4點(diǎn),AB間的距離為l1，BC間的距離為l2.一物體自O(shè)點(diǎn)由靜止出發(fā)，沿此直線做勻加速運(yùn)動(dòng)，依次經(jīng)過(guò)A，B，C這3點(diǎn)，已知物體通過(guò)AB段與BC段所用的時(shí)間相等.則利用上述所給條件，可以求出的物理量是( )

A．物體在B點(diǎn)的速度

B．物體運(yùn)動(dòng)的加速度

C．O點(diǎn)到A點(diǎn)的距離

D．通過(guò)AB段與BC段所用時(shí)間

題目設(shè)計(jì)意圖與分析:該題旨在考查學(xué)生能否從物理學(xué)科角度，對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)觀察與科學(xué)思維進(jìn)而大膽進(jìn)行科學(xué)猜想，鼓勵(lì)學(xué)生勇于探索、大膽嘗試、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力.

一般方法：設(shè)物體加速度為a，到達(dá)A點(diǎn)的速度為v0，通過(guò)AB段和BC段所用的時(shí)間為t， 則有

(1)

l1+l2=2v0t+2at2

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)得

l2-l1=at2

(3)

3l1-l2=2v0

(4)

設(shè)O與A的距離為l，則有

(5)

點(diǎn)評(píng)：“并非在所有的場(chǎng)合下繁復(fù)的計(jì)算都是必要的，有時(shí)定性的方法來(lái)得更為有效”，該題可以從題目給出的已知條件、物理量的單位關(guān)系出發(fā)，對(duì)解的結(jié)果從整體上做概貌定性猜想.因?yàn)閷?dǎo)出的最后結(jié)果必須用已知物理量表示，而已知物理量只有AB間的距離l1，BC間的距離l2，因此，結(jié)果一定為已知長(zhǎng)度l1,l2的組合，其單位也一定是長(zhǎng)度單位m的組合，要么是m，或m2，m3等等，由此可以判斷只有選項(xiàng)C滿足要求.

從物理學(xué)科的視角出發(fā)，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，是物理學(xué)科的特點(diǎn).這種能力和觀念，是學(xué)科能力和學(xué)科素養(yǎng)的重要體現(xiàn).通過(guò)物理量綱分析，在有些問(wèn)題中，雖然并不一定都能得到完全定量的結(jié)果，但是在檢查反映物理規(guī)律的方程時(shí)，計(jì)量方面可能就只差一個(gè)未知的系數(shù)，我們以此可以做出定性或半定量判斷，甚至還可提供尋找物理現(xiàn)象某些規(guī)律的線索[2].在習(xí)題課堂的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練中，這些觀念和學(xué)科特征的體現(xiàn)，教師可以通過(guò)習(xí)題的精心選擇，對(duì)學(xué)生加以滲透和培養(yǎng).

致謝：本文寫(xiě)作過(guò)程中曾得到昆明市五華基礎(chǔ)教育科學(xué)研究中心趙堅(jiān)先生悉心指導(dǎo)，在此感謝！