韓靜波

(浙江省路橋中學(xué) 浙江 臺州 318050)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)的物理觀念主要包括：(1)物質(zhì)觀念;(2)運動觀念;(3)相互作用觀念;(4)能量觀念等等.筆者認為還應(yīng)該加上一個觀念——時間觀念.

時間是國際單位制規(guī)定的7個基本量之一，它存在于人類活動的任何一個角落，既與運動緊密關(guān)聯(lián)，又似乎是游離在外的一個度量標尺.人們對于時間的概念既熟悉又陌生，不深究似乎人人知道，一深究卻又講不清，道不明.在高中物理教學(xué)中，多次涉及到時間的概念，我們應(yīng)該去面對時間這個基本而重要的概念，形成對時間正確的認識有利于物理的學(xué)習(xí)，進而形成科學(xué)的時間觀念.

1 高中物理關(guān)于時間的困惑

困惑主要有：(1)打點計時器明明是個打點器為什么說是計時器；(2)自由落體“時間尺”不均勻的原因；(3)v-t，x-t圖像的時間軸理解；(4)運動學(xué)方程解出時間t為負數(shù)的含義；(5)沙擺水平運動位移代表時間軸問題；(6)示波器正弦圖像的顯示原理，其X軸的含義；(7)相對論對時間認識的提升.

2 時間概念的層次建立

2.1 從計時器認識時間

高中物理第一章學(xué)習(xí)便接觸到打點計時器，對于它是一個計時器很多學(xué)生難以接受，以下是一段師生對話.生：這明明就是個打點器嘛？師：打點記錄了什么？生：記錄了位移.師：那么時間呢？生：數(shù)點(間隔)能數(shù)出來.師：那不就是計時器嗎？生：這也太low了…….每一屆教學(xué)基本都有類似的疑惑，教師一般也只能如此回答，學(xué)生有些能接受這個計時器，有些到畢業(yè)還是覺得是打點的，測速度的，測加速度的，也不能接受其是計時的.

筆者曾問學(xué)生：掛在墻上的時鐘是什么儀器，學(xué)生一致認為是個計時器.如果去除時針分針，只剩下秒針，它是什么？學(xué)生認為還是一個計時器.如果表盤沒有數(shù)字，那么如何確定時間？學(xué)生回答：可以數(shù)格子確定.那么這個原始的鐘表，就可以叫繞圈計時器.

筆者還建議學(xué)生如何把打點計時器造成一個現(xiàn)代化的計時儀器.

圖1是一個學(xué)生設(shè)計的計時裝置，最左側(cè)打點計時器每隔1 h打點一次，紙帶下降一個刻度.中間打點計時器1 min打一次，并下降一個刻度.右側(cè)1 s一次，中間放置一個刻度尺.看下降長度對照刻度讀數(shù).

圖1 自制計時器

還有的學(xué)生為避免紙帶過長，設(shè)計為讓紙帶循壞，在左側(cè)紙帶上標志1～12，中間和右側(cè)紙帶標志1～60，開始工作時先清零(12，60位置)，將紙帶和打點計時器裝在一個封閉盒子里面，只留3個開口，可以觀察紙帶上標準的數(shù)字，看到的數(shù)字就是對應(yīng)的時間.裝置如圖2所示.學(xué)生們驚呼，數(shù)字式電子表都給設(shè)計出來了，筆者好好表揚了這些學(xué)生，全班深刻地認識到打點計時器確實是個計時儀器.

圖2 升級版計時器

學(xué)生逐漸歸納出：是不是計時器，關(guān)鍵看有沒有一個重復(fù)性、周期性、等時性的動作，然后記錄下來就可以確定時間，就成了一個良好的計時裝置.

2.2 頻率不穩(wěn)定對計時的影響

實驗室電磁打點計時器，會問到如果頻率變高，頻率不穩(wěn)定會對實驗結(jié)果產(chǎn)生什么影響.如果頻率變大，看到打點計時器打點變快了，那么如圖2數(shù)字顯示就偏大了，但客觀的時間并沒有變,以下是實驗中頻率改變問題的計算，會有兩個典型的錯誤.

【例1】某打點計時器打出一條紙帶，事后得知當(dāng)時打點時交流電的頻率比正常情況略小，那么，用這張紙帶按正常頻率所求出的加速度a是偏大還是偏??？可為什么答案是變大.

錯答1：偏小.頻率變小，時間間隔變大，根據(jù)

加速度應(yīng)該變小.

錯答2：不變.頻率變小，時間間隔變大，在變大的時間里，產(chǎn)生的位移已經(jīng)成比例變大，所以比值應(yīng)當(dāng)不變.

參考答案：偏大，位移已經(jīng)成變大，而仍以正常的時間去計算，所求出的加速度偏大.

2.3 自由落體“反應(yīng)尺”的不均勻性

學(xué)生能比較自然地接納均勻刻度的計時器，在自由落體一節(jié)之后，有個小實驗，如圖3所示，讓學(xué)生兩人面對面，以刻度尺下落測對方的反應(yīng)時間，由于

下落距離與時間的平方成正比，即如果反應(yīng)時間增加為2倍，而下落距離變成了4倍，如此標刻的“反應(yīng)尺”上的時間是不均勻的.但這樣的時間看起來就比較難受.

這個實驗進一步挑戰(zhàn)了高一學(xué)生的思維，時間尺是不均勻刻度的，而客觀上的時間還是默認為“均勻流淌”的，以“不均勻進展”的東西來記錄“均勻流淌”的時間，記錄的結(jié)果就不均勻了.如果記錄的刻度要求均勻，那每個刻度所代表的時間會不再均勻.

圖3 反應(yīng)尺

這個實驗讓學(xué)生做一做，用心體會，能很好地沖擊學(xué)生的固化思維，加深對時間的認識.有意識地開展教學(xué)，可以促進形成科學(xué)的時間觀念.并對高二理解歐姆表刻度不均勻的理解，做一個鋪墊.

2.4 時間為負數(shù)的含義

在運動學(xué)習(xí)題中，求解結(jié)果常會出現(xiàn)負的時間，這個負時間只是不符合實際，舍去的一個答案，還是有其他什么意義.

【例2】A和B兩物體在同一直線上運動,B物體在前，A物體在后，當(dāng)它們相距7 m時,A物體在水平拉力和摩擦力的作用下，以8 m/s的速度向右做勻速運動，而B 物體此時的速度為10 m/s，方向水平向右，它在摩擦力作用下以a=-2 m/s2做勻減速運動，則經(jīng)過多長時間A追上B?

解得

圖4 豎直上拋h-t圖

2.5 沙擺水平運動位移代表時間軸問題

在機械振動教學(xué)中，常以沙擺實驗描繪振動圖像，由于實驗不易成功，教學(xué)時，教師常專注于如何畫出一個像樣的正弦沙跡，學(xué)生往往也著眼于以沙跡是否能良好擬合正弦曲線為觀察目標.造成了很多問題，不少學(xué)生會把沙跡簡單地遷移為振動圖像.

比如有教師會以圖5(a)，木板拉動方向，即箭頭方向作為時間軸t，實際上最早時間應(yīng)該是靠近手的位置，所以這個木板應(yīng)該拿起來旋轉(zhuǎn)180°來代表振動圖像.如果手拉木板速度越來越快，沙跡會呈現(xiàn)怎樣的圖線，這個沙跡還能看作是振動圖像嗎？呈現(xiàn)出來的沙跡看起來越來越開，難道是振動變快了.

所以，要認真領(lǐng)會時間軸的含義，明白有形的運動木板是如何表達無形的時間，才能理解好振動圖像，以及求解分析相關(guān)習(xí)題.這個實驗的關(guān)鍵是要清楚：我們是以水平勻速拖動能代表時間的“均勻流淌”.

正確理解有助于以下習(xí)題求解.

【例3】如圖5(a)所示是用沙擺演示振動圖像的實驗裝置，沙擺的運動可看作簡諧運動，實驗時在木板上留下圖示的痕跡.圖5(b)是兩個沙擺在各自板上形成的曲線，若板N1和板N2勻速拉動的速度v1和v2的關(guān)系為v2=2v1，則板N1和板N2上曲線所代表的振動周期T1和T2的關(guān)系為( )

A.T2=T1B.T2=2T1

圖5 沙擺

分析：由于v2=2v1，那么下方的時間軸代表的時間是上方的一半，可以假設(shè)下方時間軸最大處為2 s，則上方是4 s, 即T1，下方T2為1 s,選D.

2.6 示波器正弦圖像的顯示原理

示波器的掃描電路是一個鋸齒波.該鋸齒波電壓的頻率連續(xù)可調(diào).鋸齒波電壓的作用是使示波管陰極發(fā)出的電子束在熒光屏上形成周期性的、與時間成正比的水平位移，即形成時間基線，所謂的時間基線，即鋸齒波作用下，電壓隨時間變化，在熒光屏上拉出一條勻速前進的掃描線，理解為時間穩(wěn)定推進.這樣，加在垂直方向的被測信號按時間的變化波形就被展開在熒光屏上.顯像原理如圖6所示.x軸位移隨時間均勻展開，y軸隨時間做正弦振動，一起作用便看到一個正弦函數(shù)展開在屏幕上.若x不加電壓，y的亮點在y軸上反復(fù)移動，形成在y軸上的亮線，就像上面沙擺，如果木板不被拉動，沙子就落在一條直線上，木板拉動，就像x軸的掃描電壓.形成正弦圖像.

圖6 示波器顯像原理

只有小部分學(xué)生在完成高中學(xué)業(yè)后能正確理解示波器的工作原理.要想理解示波器工作原理，上面沙擺實驗是一個很好的基礎(chǔ)，反過來說，如果沙擺描述振動沒有理解好，示波器的工作圖景是難以建立的.

3 時間觀念的形成

在正確深層清楚理解時間這一概念的基礎(chǔ)上，能逐漸形成科學(xué)的時間觀念.時間表達了事物的生滅排列，是無盡永前的.人們對時間的認識不斷在提升.

1956年國際計量大會上，科學(xué)家以地球公轉(zhuǎn)周期作為基準將秒定義為:1900年1月1日12時起算的回歸年的31 556 925.974 7分之一.隨著原子鐘的發(fā)展，1967年第13屆國際計量大會決定將秒的定義更改如下：“1秒是銫-133原子在基態(tài)下的兩個超精細能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9 192 631 770個周期的時間”.

秒作為基本單位，要求越來越精細，1 s被不斷細分：1 s=103ms(毫秒)=106μs(微秒)=109ns(納秒)=1012ps(皮秒)=1015fs(飛秒)=1018as(阿秒)……

4 時間觀念的提升

高中教材安排了相對論一章，它是對牛頓定律的修正和提升認識.愛因斯坦在相對論中提出：不能把時間、空間、物質(zhì)三者分開解釋，時間與空間一起組成四維時空，構(gòu)成宇宙的基本結(jié)構(gòu).時間與空間在測量上都不是絕對的.質(zhì)量產(chǎn)生的重力場將造成扭曲的時空結(jié)構(gòu).相對論為人們認識世界開了一扇窗，對傳統(tǒng)時間概念的永恒流逝，不受外界物體影響的認識提出了挑戰(zhàn)，扭曲的時空出現(xiàn)，把時間、空間、質(zhì)量運動關(guān)聯(lián)起來，是人類對于時間全新的理解.時間、空間和物質(zhì)是一體的，它們共同構(gòu)成時空.時空是物質(zhì)的時空，能量的時空，運動的時空.

時間是一個神奇的存在，高中物理學(xué)習(xí)需正確理解時間概念.有意識、有計劃、有組織地開展教學(xué)，如上所述，從打點計時器，到反應(yīng)尺，到負時間，到沙擺，到示波器，依次推進，層層深入，周而復(fù)始，才能正確領(lǐng)會時間概念，進而形成科學(xué)的時間觀念，并以相對論促使學(xué)生展開思維翱翔的翅翼，去尋求時空最深層的奧秘.