張飛翔

(江蘇省無錫市第一中學(xué)，江蘇 無錫 214031)

在高中物理教學(xué)中，學(xué)生總會(huì)對(duì)一些問題在理解上感到困難。教師應(yīng)根據(jù)以學(xué)定教的理念，在實(shí)際教學(xué)中，需要認(rèn)真思考更好地幫助學(xué)生突破這些難點(diǎn)的途徑。課程標(biāo)準(zhǔn)要求教師要通過多樣化的教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)。這就要求教師應(yīng)從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，不拘泥于思維定勢(shì)，不能采用一成不變的教學(xué)模式。例如在涉及力的動(dòng)態(tài)平衡問題時(shí)，學(xué)生普遍感到力不從心，難以把握動(dòng)態(tài)變化中各力的制約關(guān)系。我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(DIS)設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)思維的可視化，通過形象生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)使學(xué)生直觀感受到力的動(dòng)態(tài)變化的本質(zhì)，有效突破了這一教學(xué)難點(diǎn)。

例1:如圖1所示，用兩根繩子系住一重物，繩OA與天花板夾角θ不變，當(dāng)用手拉住繩OB的B端，使繩由水平緩慢向豎直方向移動(dòng)過程中，OA、OB繩所受拉力如何變化？

圖1

解析：傳統(tǒng)教學(xué)中先對(duì)小球在繩子OB處于水平位置時(shí)進(jìn)行受力分析，如圖2所示，通過這一靜態(tài)分析，得出各力之間的制約關(guān)系，再根據(jù)動(dòng)態(tài)變化中，確定不變量、隨著繩方向的變化(角度α)而變化的量，進(jìn)而根據(jù)數(shù)學(xué)分析出對(duì)應(yīng)力的變化情況。

圖2

教學(xué)中這樣處理，雖然條理清楚，但不太直觀，運(yùn)算繁瑣，數(shù)學(xué)要求高，當(dāng)學(xué)生遇到更難的動(dòng)態(tài)力的平衡問題時(shí)，三角函數(shù)運(yùn)算要求更加高，大部分學(xué)生難以掌握。

因此在實(shí)際教學(xué)中多數(shù)情況均采用作圖法，即用矢量圖的動(dòng)態(tài)作圖來求解，如圖3所示，由于OB繩移動(dòng)過程中，兩個(gè)繩的合力大小不變，始終等于重物所受重力、方向豎直向上。而且OA繩與豎直方向夾角θ始終不變，這樣可以把動(dòng)態(tài)過程用圖3中的多個(gè)矢量三角形表示。三角形三邊長(zhǎng)度分別代表兩根繩的拉力和重力大小，從該圖能夠看出繩OA的拉力FA是一直在減小的，OB繩的拉力FB則是先減小后增大，最小值出現(xiàn)在OB繩與OA繩相垂直時(shí)。

圖3

這種方法形象直觀、簡(jiǎn)潔明快，但矢量三角形作圖法對(duì)學(xué)生來說難度大，學(xué)生很難一下掌握，運(yùn)用時(shí)常常會(huì)出錯(cuò)。

為了讓知識(shí)更好地生成，我們?cè)诮虒W(xué)中增加了一個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生直觀地看到繩子拉力及其變化過程，這對(duì)于學(xué)生理解力的動(dòng)態(tài)平衡過程具有很大的幫助。

借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了下列實(shí)驗(yàn)：如圖4所示，用兩根繩吊住一個(gè)鉤碼。在兩根繩中各連接一個(gè)力傳感器，然后通過數(shù)據(jù)采集器連接到電腦，可以把兩個(gè)繩拉力的變化表示出來。

圖4

在實(shí)驗(yàn)中，選用圖形作為繩中拉力的輸出模式，固定OA繩方向不變，當(dāng)把OB繩從水平位置緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直位置，這時(shí)兩拉力的變化圖線可以在電腦屏幕上呈現(xiàn)(圖5)，可以看出一根繩的拉力確實(shí)一直在減小，而另一根繩的拉力則先減小后增大。

圖5

對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還可以作為課堂生成的資源，引導(dǎo)學(xué)生討論以下3個(gè)問題，加深他們對(duì)三力平衡問題的透徹理解。

(1) 當(dāng)OB繩水平時(shí)，哪根圖線表示繩OB拉力？

圖6

(2) 圖5中紅線和藍(lán)線相交，交點(diǎn)表示什么意思？對(duì)應(yīng)的兩線之間的角度應(yīng)為多少？

兩線相交，對(duì)應(yīng)的是兩根繩中拉力相等，根據(jù)力的合成知識(shí)，可知，此時(shí)兩根線間夾角為120°。

(3) 圖線中兩繩拉力的變化范圍為多少？

OA繩中拉力一直減少，OB繩中拉力先減小后增大。OB繩中拉力最小值出現(xiàn)在OB繩與OA繩垂直的位置；OA繩中拉力最小值為0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的情形是OB繩沿豎直方向，OB繩中拉力等于重物所受重力mg。

通過這樣一系列問題的分析，學(xué)生對(duì)力的動(dòng)態(tài)平衡會(huì)有更加全面深刻的理解，回頭再運(yùn)用力的矢量三角形動(dòng)態(tài)作圖，就會(huì)順暢許多，學(xué)習(xí)效率大幅度提升。

在剛才的問題中，兩繩中拉力不同。如果同一根繩拉著重物，固定一段，移動(dòng)另一端，情況又如何?這也是力的動(dòng)態(tài)平衡的典型問題，在教學(xué)中也是需要重點(diǎn)解決的。

例2：如圖7所示，穿過掛有重物的動(dòng)滑輪的繩子兩端分別固定于兩堵豎直墻上的A，B兩點(diǎn)，已知B點(diǎn)在A點(diǎn)之上．當(dāng)把B端緩慢向下移動(dòng)的過程中，繩中拉力的變化情況是( )。

圖7

A. 不變

B. 先變小，后變大

C. 先變大、后變小

D. 不斷變小

解析：在學(xué)習(xí)了力的平衡后讓學(xué)生討論這一問題，受例1的影響，學(xué)生選B或C較多，選A最少。在教學(xué)中我們可先讓學(xué)生選擇，然后一起來做如下實(shí)驗(yàn)。

與例1一樣，也可借助DIS設(shè)計(jì)如圖8所示的實(shí)驗(yàn)?？紤]到圖中兩邊繩拉力應(yīng)該相等，為簡(jiǎn)單起見只用一個(gè)傳感器測(cè)繩中拉力。實(shí)驗(yàn)中有傳感器的一段保持不動(dòng)，另一端沿著框架邊逐漸下移，每下移一個(gè)位置，通過電腦讀出繩中拉力。

圖8

圖9

學(xué)生恍然大悟，對(duì)例1與例2中物理模型的本質(zhì)區(qū)別有了深刻的理解，學(xué)生的思維品質(zhì)得到了較大提升。

追求物理教學(xué)問題的情景化，讓物理課堂“動(dòng)”起來，是廣大物理教師的追求。教無定法，但教要得法，必須一切從實(shí)際出發(fā)，不斷進(jìn)行教學(xué)方法的改進(jìn)與創(chuàng)新，只有這樣才能使物理課堂魅力四射。