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        從原始問題走向物理習(xí)題的實踐探究
        ——科學(xué)思維視角下的“單桿+雙軌”模型

        2019-08-20 06:33:08鄒韓仕
        物理通報 2019年8期
        關(guān)鍵詞:電磁炮炮彈彈體

        鄒韓仕

        (汕頭市澄海蘇北中學(xué) 廣東 汕頭 515829)

        1 問題的提出

        原始問題,是指自然界與社會生活中客觀存在,未經(jīng)出題者越俎代庖式加工的典型物理問題,它只是對現(xiàn)象進行了描述,保持著現(xiàn)實生活中物理情景的“原汁原味”.與原始物理問題對應(yīng)的是習(xí)題,習(xí)題則是經(jīng)過編制者簡化、抽象等處理并在設(shè)定的條件、范圍內(nèi)的半成品作業(yè)[1].原始問題與物理習(xí)題的關(guān)系如圖1所示.

        圖1 原始問題與物理習(xí)題的關(guān)系

        作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的“科學(xué)思維”,是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式,是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程,是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化,是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判,進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)[2].模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新是構(gòu)成科學(xué)思維的4個要素.將原始問題轉(zhuǎn)化為物理習(xí)題,或?qū)⑽锢砹?xí)題還原為原始問題,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.下面以電磁感應(yīng)中“單桿+雙軌”模型為例,從科學(xué)思維視角探討如何從原始問題走向物理習(xí)題.

        2 “單桿+雙軌”模型中的原始問題

        電磁炮是未來戰(zhàn)爭的新型武器之一,它是一項高新科技,是一種高速拋射彈體的裝置.它主要用來攔截和轟擊高速飛行的飛機、導(dǎo)彈、運載火箭等,也可用來發(fā)射衛(wèi)星以及其他航天器.軌道式電磁炮發(fā)射裝置是由兩根平行的金屬軌道和一個發(fā)射物組成,其實物如圖2所示.發(fā)射物(如炮彈)是導(dǎo)電體,它與兩根軌道接觸,可在軌道上自由滑行,電流從一根軌道流經(jīng)待發(fā)射物再流向另一根軌道.這樣兩根載流軌道在周圍產(chǎn)生磁場并與載流發(fā)射物相互作用,產(chǎn)生電磁力來推動發(fā)射物.電流越大,產(chǎn)生的電磁力越大,得到的加速度就越大,從而使發(fā)射物高速飛射出去.另外,軌道也可用多級來連接,以增大出口的速度.試結(jié)合有關(guān)的物理知識設(shè)置并估計相應(yīng)物理量,如發(fā)射物(炮彈等)的速度.

        圖2 軌道式電磁炮發(fā)射裝置實物圖

        3 在原始問題中建構(gòu)“單桿+雙軌”模型

        教師在課堂上拋出“電磁炮”這樣一個原始問題時,學(xué)生非常困惑.其思維的障礙在于:這個問題怎么連一個具體數(shù)字都沒有?學(xué)生由于受傳統(tǒng)學(xué)習(xí)思維慣性的影響,已經(jīng)習(xí)慣于平常的習(xí)題中已知量都是明確給出的.而在這個原始的物理問題中,學(xué)生找不到現(xiàn)成的物理模型,也沒有類似的題型作為借鑒,需要自己通過多方面的分析推理,選擇有用信息抽離出物理模型,設(shè)定和估計解題所需的各個物理量,最后選取公式、推導(dǎo)演算,才能得出答案.圖3為原始問題解決的基本流程示意圖.由該圖可以看出,一個物理問題的解決大致需要經(jīng)歷3個過程:第1步,發(fā)掘現(xiàn)象中蘊藏的信息,并用物理學(xué)的語言進行描述,即認識問題;第2步,丟棄跟問題無關(guān)的次要信息,通過簡化、抽象、設(shè)置物理量后轉(zhuǎn)化為物理模型,即物理建模;第3步,基于物理模型選擇合適的物理定律、公式,利用數(shù)學(xué)工具經(jīng)推導(dǎo)演算得出最終結(jié)果,即推導(dǎo)演算[3].

        圖3 原始問題解決的基本流程

        這3個過程,思維是螺旋式上升的,可以看出,從原始問題走向物理習(xí)題,關(guān)鍵的步驟在于建構(gòu)物理模型.模型建構(gòu)作為一種認識手段和思維方式,是根據(jù)研究問題和情境,在對客觀事物進行抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程、理想實驗和物理概念的過程.建構(gòu)模型有助于幫助學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素,加深對概念、過程和系統(tǒng)的理解,形成系統(tǒng)思維[4].

        由于長期以來學(xué)生接受的是習(xí)題訓(xùn)練,對原始問題的解答找不到切入點,尋不到解題思路.在原始問題教學(xué)的初始階段,教師引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷其解答過程,引導(dǎo)其建構(gòu)物理模型,給予適當?shù)闹笇?dǎo)幫助是必要的.可從以下4個方面切入.

        3.1 適時顯現(xiàn)研究問題的一般方法促使形成邏輯思維

        科學(xué)研究的過程是一個沿著一定的思維路徑不斷向前探索的過程.聚焦到高中物理中,有這樣一條圍繞“力與運動”關(guān)系的研究問題的一般思維路徑:確定受力對象(研究對象)→受力分析(關(guān)注力學(xué)量、電學(xué)量)→研究力與運動的關(guān)系→研究功能關(guān)系,這樣的分析推理路徑需要教師在教學(xué)中適時顯現(xiàn),以幫助學(xué)生形成邏輯思維.

        3.2 展開小組學(xué)習(xí)討論激活思維

        這個過程中教師通過提供電磁炮的相關(guān)背景資料(文字、視頻、圖片等)供學(xué)生閱讀(也可提醒學(xué)生上網(wǎng)自行查閱資料或一些相關(guān)參數(shù)),引導(dǎo)學(xué)生在閱讀材料的過程中分小組討論,大膽提出自己的見解和主張.學(xué)生分析、討論、爭辯問題的過程就是一個思維不斷沖突、碰撞的過程,也是一個不斷提出創(chuàng)造性見解和解決問題的過程,這有利于培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、批判和創(chuàng)造的能力,激活思維.

        3.3 啟發(fā)提出“問題串”逐步推進思維進階

        提出問題的過程本身就是一個科學(xué)探究的過程.學(xué)生在討論問題的過程中思維逐步明晰起來,教師可啟發(fā)學(xué)生圍繞“力與運動”關(guān)系的思維路徑,提出以下6個階梯性問題,促使思維進階.

        問題1:研究對象(炮彈)的形狀怎樣?能否簡化?

        問題2:電磁炮的關(guān)鍵在于如何發(fā)射,其動力來源在哪里?

        問題3:磁場從哪里來? (從軌道的電流中產(chǎn)生)電流周圍的磁場是否變化?

        問題4:導(dǎo)體運動過程除電磁力外,還受哪些力作用?

        問題5:導(dǎo)體運動過程中是否會產(chǎn)生電動勢?對電流會產(chǎn)生什么影響?

        問題6:從能量轉(zhuǎn)化的角度分析,導(dǎo)體在運動中能量是如何轉(zhuǎn)化的?

        3.4 任務(wù)驅(qū)動下激發(fā)科學(xué)思維方法運用

        為了解決上面提出的一系列問題,學(xué)生在小組討論的基礎(chǔ)上,教師進而啟發(fā)引導(dǎo):科學(xué)家在解決問題的時候,經(jīng)常運用理想化等效處理的科學(xué)思維方法對一些問題進行簡化,忽略次要因素,突出事物本質(zhì)特征,逐步抽象出物理模型,我們也可加以嘗試.通過顯化、運用物理思想方法,進一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.具體可進行以下5次等效處理:

        第1次等效處理: 將炮彈視為長方形導(dǎo)體或滑塊,進而等效為金屬桿或金屬棒(這是在研究物體運動時一種常用的等效方法);

        第 2次等效處理: 由于炮彈的長度較小,可將炮彈所處區(qū)域磁場簡化為勻強磁場,從而忽略磁場的變化;

        第3次等效處理:將平行金屬導(dǎo)軌由斜面理想化為沿水平方向固定,忽略重力在金屬導(dǎo)軌方向上的分力;

        第4次等效處理:將炮彈視為可沿導(dǎo)軌無摩擦滑行,從而忽略摩擦力;

        第5次等效處理:導(dǎo)體運動過程會產(chǎn)生反電動勢,對原電流造成削弱的作用,但由于電源提供的電流極大,導(dǎo)體運動過程產(chǎn)生的反電動勢比電源電動勢小得多,可以忽略不計.

        經(jīng)過以上5次理想化等效處理,就得到了一個處在勻強磁場中水平導(dǎo)軌上運動的“單桿+雙軌”模型(電動型).(如圖4:電磁炮問題的3次抽象)

        圖4 電磁炮問題的3次抽象

        需要指出的是,學(xué)生在經(jīng)過一定數(shù)量的原始問題的訓(xùn)練后,教師應(yīng)該逐漸放手,給學(xué)生獨立思考解決問題的機會,這樣學(xué)生才能漸漸地憑直覺去探索正確的解決途徑,創(chuàng)造性地解決問題.

        4 讓學(xué)生感悟?qū)⒃紗栴}轉(zhuǎn)換為物理習(xí)題的兩種呈現(xiàn)形式

        從原始問題走向物理習(xí)題,可在習(xí)題、原始問題中互相轉(zhuǎn)換.教師可通過將書本中的習(xí)題進行略微改編,如弱化問題條件,使問題的條件多余或不足,或改變問題的設(shè)問方式,使問題沒有明確的指向,等等,就將習(xí)題轉(zhuǎn)換成了原始問題.如果在原始問題教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生跟不上教師的節(jié)奏,無法依靠自身能力獨立完成解題,則又可通過將原始問題還原成習(xí)題以作為鋪墊引導(dǎo),通過習(xí)題這個橋梁來實現(xiàn)難度較大的原始問題的解決[3].

        這樣,通過從原始問題到習(xí)題和從習(xí)題到背后的原始問題的轉(zhuǎn)換教學(xué),不僅讓學(xué)生在逆向思維過程中鞏固了理論知識,訓(xùn)練了各種思維(尤其是非線性思維)的能力,更能讓學(xué)生從這種轉(zhuǎn)換中了解到物理與實際生活的聯(lián)系,增強學(xué)生運用物理知識至現(xiàn)實情境的意識[3].

        4.1 設(shè)置參數(shù)以定性或半定量形式呈現(xiàn)

        【例1】電磁軌道炮原理如圖5所示.炮彈(可視為長方形導(dǎo)體)與兩固定平行軌道保持良好接觸且可在平行于軌道方向上自由移動.開始時炮彈在導(dǎo)軌的一端,通以電流后炮彈會被磁力加速,最后從位于導(dǎo)軌另一端的出口高速射出.設(shè)兩導(dǎo)軌之間的距離為d,導(dǎo)軌長為L,炮彈質(zhì)量為m.導(dǎo)軌上電流I的方向如圖中箭頭所示.已知軌道上的電流可在炮彈處形成垂直于軌道面的磁場(可視為勻強磁場).磁感應(yīng)強度的大小與I成正比.忽略摩擦力與重力的影響.現(xiàn)欲使炮彈的出射速度增加至原來的2倍.理論上可采用的方法是( )

        A.只將軌道長度L變?yōu)樵瓉淼?倍

        B.只將電流I增加至原來的2倍

        C.只將炮彈質(zhì)量m減至原來的一半

        D.將炮彈質(zhì)量m減至原來的一半,軌道長度L變?yōu)樵瓉淼?倍,其他量不變

        圖5 電磁軌道炮原理示意圖

        答案:B,D.

        4.2 設(shè)置參數(shù)以定量形式呈現(xiàn)

        【例2】“電磁炮”是利用電磁力對彈體加速的新型武器,具有速度快,效率高等優(yōu)點.如圖6是“電磁炮”的原理結(jié)構(gòu)示意圖.光滑水平加速導(dǎo)軌電阻不計,軌道寬L=0.2 m.在導(dǎo)軌間有豎直向上的勻強磁場,磁感應(yīng)強度B=1×102T.“電磁炮”彈體總質(zhì)量m=0.2 kg,其中彈體在軌道間的電阻R=0.4 Ω.可控電源的內(nèi)阻r=0.6 Ω,電源的電壓能自行調(diào)節(jié),以保證“電磁炮”勻加速發(fā)射.在某次試驗發(fā)射時,電源為加速彈體提供的電流是I=4×103A,不計空氣阻力.求:

        (1)彈體所受安培力大小;

        (2)彈體從靜止加速到4 km/s,軌道至少要多長?

        (3)彈體從靜止加速到4 km/s過程中,該系統(tǒng)消耗的總能量;

        (4)請說明電源的電壓如何自行調(diào)節(jié),以保證“電磁炮”勻加速發(fā)射.

        圖6 電磁炮原理結(jié)構(gòu)示意圖

        解析:(1)炮彈受到的安培力為

        F=BIL

        解得

        F=8×104N

        (2)由動能定理

        可得軌道至少要x=20 m

        (3)又

        F=mav=at

        t=0.01 s

        發(fā)射過程產(chǎn)生的熱量

        Q=I2(R+r)t

        彈體的動能

        故系統(tǒng)消耗的總能量為

        E=Ek+Q=1.76×106J

        (4)由于彈體的速度增大,彈體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,電源的電壓應(yīng)增大,抵消產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,以保證電源為加速彈體提供恒定的電流,使“電磁炮”勻加速發(fā)射.

        上面兩種物理習(xí)題的呈現(xiàn)形式,第二種設(shè)置參數(shù)更接近真實問題的原型.物理習(xí)題的解答是原始物理問題解決過程的一個環(huán)節(jié),習(xí)題解答思路對相應(yīng)的原始問題的解決有啟發(fā)作用.在學(xué)生習(xí)慣于習(xí)題解答,而對原始問題感到陌生的情況下,對某一知識點的應(yīng)用,可先進行習(xí)題訓(xùn)練,在學(xué)生對某類問題的解答積累了經(jīng)驗,形成明確的解題思路的基礎(chǔ)上,再提交相應(yīng)的原始問題,這樣有利于學(xué)生逐步運用分析綜合、推理論證的思維方法,不斷提高解答原始物理問題的能力.學(xué)生在這些問題的分析處理過程中,經(jīng)歷物理建模、推理論證和理論計算等科學(xué)思維過程,并將力與運動的關(guān)系、力學(xué)量、電學(xué)量、功能關(guān)系、牛頓運動定律、能量和動量、運動學(xué)知識、電磁學(xué)基本原理等高中物理主干知識不斷滲透應(yīng)用于“單桿+雙軌”模型中,逐步經(jīng)歷較高層次的思維活動,逐步體驗運用物理思想、觀點和方法解決問題,從而促使科學(xué)思維這一核心素養(yǎng)的有效提升.

        5 結(jié)束語

        著名物理學(xué)家楊振寧曾有過精辟的分析:“很多學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中形成一種印象,以為物理學(xué)就是一些演算.演算是物理學(xué)的一部分,但不是最重要的部分,物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的.絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的,現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”[5].物理教學(xué)要從原始問題出發(fā),將原始問題與物理習(xí)題有機結(jié)合,以現(xiàn)象為導(dǎo)向,以模型為載體,引導(dǎo)學(xué)生從生活走向物理,又從物理回歸到生活,培養(yǎng)學(xué)生提煉模型,分析問題,總結(jié)規(guī)律的能力,發(fā)展科學(xué)思維.

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