葉晟波

(浙江省慈溪中學(xué) 浙江 寧波 315300)

中美貿(mào)易的根本問題還是科技教育水平，要提高我國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和教育水平，物理教師必須是為發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)而教.而科學(xué)思維作為物理核心素養(yǎng)之一，對(duì)其理解和把握的程度會(huì)直接影響教學(xué)改革的效果.物理概念是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)世界的過程中對(duì)客觀事物共同屬性和本質(zhì)特征的抽象形成的，它的形成與科學(xué)研究方法相對(duì)應(yīng)，在物理教學(xué)過程中，掌握物理概念建立過程中的科學(xué)研究方法對(duì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維起到至關(guān)重要的作用.本文以速度概念建構(gòu)過程的研究方法為例，從4個(gè)方面去發(fā)現(xiàn)概念形成的背后所隱藏著的科學(xué)研究方法，發(fā)揮這些科學(xué)方法的教育價(jià)值，把科學(xué)方法教育落到實(shí)處，從而使物理教學(xué)過程成為提高學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的形成過程.

1 速度的定義

初高中對(duì)速度的定義都用到了比值定義法，它是物理概念中常用的一種定義新物理量的方法.用兩個(gè)已知物理量的比值表示一個(gè)新的物理量，這個(gè)方法利用了控制變量的思維，它的特點(diǎn)是：

(1)被定義的物理量往往是反映物質(zhì)的最本質(zhì)的屬性.

(2)比值法不隨定義所用的物理量的大小取舍而改變，與原來的物理量完全不同.

根據(jù)其特點(diǎn)，我們可知物體的速度由物體本身決定，不會(huì)隨著位移的增大而增大，也不會(huì)隨著時(shí)間的增大而減小.所有的比值法定義的物理量有相同的特點(diǎn)，如電場(chǎng)強(qiáng)度E和密度ρ，通過展開類比與想象，進(jìn)行邏輯推理、控制變量等思維活動(dòng)達(dá)到初中向高中知識(shí)的遷移，提高學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng).

2 瞬時(shí)速度的建構(gòu)

在人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·必修1》中對(duì)瞬時(shí)速度的闡述是： “平均速度只能粗略地描述運(yùn)動(dòng)的快慢.為了使描述精確些，可以把Δt取得小一些，物體在從t到t+Δt這樣一個(gè)較小的時(shí)間間隔內(nèi)，運(yùn)動(dòng)快慢的差異也就小一些.Δt越小，運(yùn)動(dòng)的描述就越精確.當(dāng)Δt非常非常小時(shí)，我們把這個(gè)速度稱做物體在時(shí)刻t的瞬時(shí)速度.”定義中 “當(dāng)Δt非常非常小時(shí)”實(shí)際采用了平均速度無限逼近的極限思想方法，它是物理學(xué)習(xí)中的一種十分重要的科學(xué)思想方法，通常是把某一個(gè)物理量推向極端，即極大極小或者極左極右，并依此做出科學(xué)的推理分析，從而給出判斷或?qū)С鲆话憬Y(jié)論的思想方法.數(shù)學(xué)中的極限思想方法，在物理學(xué)習(xí)中會(huì)逐步滲透.

以上從平均速度的大致描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢情況到瞬時(shí)速度精確地描述物體運(yùn)動(dòng)快慢情況，經(jīng)歷了從粗略到精細(xì)的研究物理問題的一種方法——修正與逼近.即在分析變速運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度時(shí),采用無限取微元逐漸逼近的方法,即當(dāng)Δt非常非常小時(shí)，在物體經(jīng)過的某點(diǎn)后面取很小的一段位移,這段位移取得越小,或時(shí)間Δt取得越小，物體在該段位移的平均速度越能精確地描述包括該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)快慢情況.以上采用無限逼近的極限思想，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)有非常大的幫助.高中習(xí)題中計(jì)算平均速度比較方便，只要已知位移和時(shí)間即可，那瞬時(shí)速度如何計(jì)算呢？

3 瞬時(shí)速度的計(jì)算

復(fù)雜的變速運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度比較難計(jì)算，高中階段主要研究了比較簡(jiǎn)單的勻變速直線運(yùn)動(dòng)和勻變速曲線運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度的計(jì)算公式.

3.1 勻變速直線運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度的計(jì)算公式

所謂勻變速直線運(yùn)動(dòng)就是沿著一條直線運(yùn)動(dòng)，且加速度a不變的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律，即質(zhì)點(diǎn)受到的力為恒力，且速度方向與合外力的方向在同一條直線上.清楚勻變速直線運(yùn)動(dòng)定義后，可以定量分析其計(jì)算公式，物理研究方法中定量分析比定性要難，當(dāng)然也更精確.初中科學(xué)中對(duì)許多物理問題往往重在定性分析，即使進(jìn)行定量計(jì)算，一般也是比較簡(jiǎn)單的，而高中物理，大部分問題不單是定性分析，而且可能要求大量復(fù)雜的定量計(jì)算.

為了尋求勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度特點(diǎn)和規(guī)律，可以從具體事例開始.用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究小車在重物牽引下的運(yùn)動(dòng)如圖1所示，此時(shí)小車所受的力是恒力，做勻變速直線運(yùn)動(dòng).

圖1 用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究小車的運(yùn)動(dòng)

為了研究實(shí)驗(yàn)中速度和時(shí)間的關(guān)系，先將其在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，然后用一條光滑曲線(包括直線)“擬合”這些點(diǎn)，得到了如圖2所示的小車的v-t圖像，我們發(fā)現(xiàn)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖像是一條傾斜的直線，該圖像直觀地描述了勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度v與時(shí)間t的關(guān)系，將一個(gè)較復(fù)雜的物理問題簡(jiǎn)單化、形象化.

圖2 小車的v-t圖像

利用圖像處理物理問題可以使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)于知識(shí)的融會(huì)貫通,提高自主學(xué)習(xí)的能力,對(duì)教學(xué)也有促進(jìn)的作用.除了圖像方法，根據(jù)學(xué)生所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)，可以用公式表達(dá)物體運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系，即速度v和時(shí)間t存在一次函數(shù)關(guān)系，瞬時(shí)速度v=v0+at，此公式適用勻變速直線運(yùn)動(dòng).

以上勻變速直線運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度計(jì)算公式的得出，利用圖像法讓數(shù)形結(jié)合，使學(xué)生形象思維、靈活處理物理問題的能力得到培養(yǎng)，學(xué)生從定性分析運(yùn)動(dòng)跨步到了定量研究，這是研究方法和思維上的一個(gè)飛躍，大大提高了高中生的物理科學(xué)思維.

3.2 勻變速曲線運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度的計(jì)算公式

勻變速曲線運(yùn)動(dòng)也是加速度不變的運(yùn)動(dòng)，但是其速度和加速度不在一條直線上，所以運(yùn)動(dòng)軌跡是曲線,相對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜.怎樣把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化呢？我們以比較特殊的勻變速曲線運(yùn)動(dòng)——平拋運(yùn)動(dòng)為例，可以利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解的思想來處理.首先建構(gòu)物體運(yùn)動(dòng)的圖形，如圖3所示，可以把勻變速曲線運(yùn)動(dòng)分解成水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)兩個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng).

圖3 分解勻變速曲線運(yùn)動(dòng)

如果已知初始時(shí)刻的水平速度v0,經(jīng)過時(shí)間t，水平速度v0不變， 水平方向分速度vx=v0，豎直方向分速度vy=gt，則其合速度

設(shè)速度方向與x軸成β角，滿足

所以合速度v與x軸之間的夾角

應(yīng)用合成與分解的思想得出了瞬時(shí)速度的大小和方向，通過這樣的處理讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到無論如何復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，都可以看成幾個(gè)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的合成，合運(yùn)動(dòng)的效果和幾個(gè)分運(yùn)動(dòng)的效果相同，學(xué)生體會(huì)到運(yùn)動(dòng)的合成與分解是一種分析解決復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的基本方法.這種具體分析問題、解決問題的科學(xué)方法，是高中教育給與學(xué)生最具有生命力的教育內(nèi)容，也是學(xué)生離開學(xué)校后學(xué)習(xí)和工作的有力工具，因此掌握科學(xué)方法，提高學(xué)生的思維素養(yǎng)，比掌握具體的知識(shí)更具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義.

3.3 瞬時(shí)速度的測(cè)量

高中是培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力的最佳時(shí)機(jī)，高中學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力不斷提高，實(shí)驗(yàn)中通過瞬時(shí)速度的測(cè)量可以滲透多種科學(xué)方法.

(1)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器結(jié)合紙帶可以測(cè)瞬時(shí)速度，實(shí)驗(yàn)器材如圖4所示，實(shí)驗(yàn)原理如下.

圖4 測(cè)量瞬時(shí)速度實(shí)驗(yàn)器材示意圖

圖5 紙帶計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)間間隔取0.1 s

圖6 紙帶計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔取0.06 s

我們對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步思考，本實(shí)驗(yàn)是用極短時(shí)間內(nèi)的平均速度代替瞬時(shí)速度的大小，但是平均速度和瞬時(shí)速度是兩個(gè)不同的概念.這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最小時(shí)間間隔只能是0.02 s，并不滿足 “非常小非常小”的要求，況且時(shí)間太小對(duì)應(yīng)的位移也很小導(dǎo)致位移測(cè)量的不精確，所以該實(shí)驗(yàn)無法揭示瞬時(shí)速度的本質(zhì).那么有沒有在測(cè)量過程中能揭示瞬時(shí)速度本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字計(jì)時(shí)器探究瞬時(shí)速度可以做到.

(2)用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字計(jì)時(shí)器探究瞬時(shí)速度，儀器如圖7所示，控制擋光片寬度不變改變光電門位置，實(shí)驗(yàn)原理如下.

圖7 用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字計(jì)時(shí)器探究瞬時(shí)速度實(shí)驗(yàn)

如圖8測(cè)定滑塊通過A點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度，可把一個(gè)光電門固定在氣墊導(dǎo)軌上的A點(diǎn)，把另一個(gè)光電門置于氣墊導(dǎo)軌上的B點(diǎn).研究時(shí)，通過改變B點(diǎn)的位置，逐次減少A與B間的距離Δx，分別測(cè)出Δx和Δt，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平均速度，列出表格1進(jìn)一步分析平均速度值的變化情況.從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著Δx(亦即Δt)的逐漸減小，各平均速度值也逐漸減小，而且隨之接近，Δx=5.00 cm以后，平均值已經(jīng)趨向于一個(gè)定值了，即滑塊平均速度已趨向于它通過光電門A時(shí)的瞬時(shí)速度.不僅如此，我們還可以通過圖像法進(jìn)行理想化外推，如圖9所示.從圖中可以看出，當(dāng)光電門之間的距離變到無限小(即時(shí)間Δt無限短)時(shí)，平均速度的極限值就是擋光片中點(diǎn)通過A點(diǎn)的瞬時(shí)速度.Δv-Δx圖線在縱坐標(biāo)軸上的截距29.917 m/s就是Δt→0時(shí)的平均速度的極限值——瞬時(shí)速度.

圖8 測(cè)量滑塊在A點(diǎn)時(shí)的速度

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

圖9 滑塊平均速度與光電門間距的關(guān)系圖像

同理，如果該實(shí)驗(yàn)改成用一個(gè)光電門，控制光電門位置不變，逐次減小滑塊上的擋光片寬度d，分別測(cè)出擋光片寬度d和它與之對(duì)應(yīng)的擋光時(shí)間Δt，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的平均速度，再通過Δv-Δd圖線的理想化外推，得出的縱坐標(biāo)軸上的截距就是d→0時(shí)的平均速度的極限值——瞬時(shí)速度.我們不能讓光電門之間的距離Δx或者擋光片的Δd變到無限小(即時(shí)間Δt無限短)，通過直線的延長(zhǎng)交于縱軸的交點(diǎn)，即為無限接近Δt=0，由此推導(dǎo)出來的瞬時(shí)速度值的方法，是理想化外推，也是高中階段重要的科學(xué)思維方法.

最有價(jià)值的知識(shí)是關(guān)于思維方法的知識(shí)，高中物理在速度概念的建構(gòu)中應(yīng)用到了各種科學(xué)思維方法，如對(duì)比法、比值定義法、極限思想方法、圖像法、合成與分解的思想、理想化外推等，它們普遍應(yīng)用于人的各種思維活動(dòng).作為教師要不斷探索，根據(jù)學(xué)生的思維日趨發(fā)展，切實(shí)讓學(xué)生體驗(yàn)概念建構(gòu)過程，努力把前人研究物理現(xiàn)象的思想、方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力和思維方式，從中深刻理解概念的內(nèi)涵，體會(huì)建構(gòu)概念的外延，讓科學(xué)方法作為一種素養(yǎng)植根到學(xué)生的思想中，使物理教育做到教的是思維，收獲的是智慧，真正提高學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng).