張宗義

(河南省鄧州市基礎(chǔ)教育教學(xué)研究室，河南 鄧州 474150)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出:“應(yīng)把物理課程中所形成的物理觀念和科學(xué)思維用于分析、解決生活中的問題,在解決問題中進(jìn)一步提高探究能力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度,促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成?！苯虒W(xué)設(shè)計(jì)的明晰度、教學(xué)實(shí)施中邏輯思維的清晰度直接影響課堂教學(xué)效率的高低，中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)思維培養(yǎng)的導(dǎo)向作用,在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)推理、論證時(shí)，把歸納與演繹思維相結(jié)合,凸顯學(xué)生的主體地位，關(guān)注學(xué)生的思維過程，以下筆者結(jié)合具體的案例予以闡述。

2 例題及其解題思維過程

2.1 例題與答案

例題：如圖1所示，L1、L2為相互平行的足夠長(zhǎng)光滑導(dǎo)軌,位于光滑水平面內(nèi),一個(gè)略長(zhǎng)于導(dǎo)軌間距,質(zhì)量為M的光滑絕緣細(xì)管與導(dǎo)軌垂直放置,細(xì)管兩端的底部有兩個(gè)光滑卡槽,可使細(xì)管在兩導(dǎo)軌上左右平動(dòng)。細(xì)管內(nèi)有一質(zhì)量為m、帶電量為+q的小球,小球與L1導(dǎo)軌的距離為d;開始時(shí)小球相對(duì)細(xì)管速度為零,細(xì)管在外力作用下從P1位置以速度v0向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)。垂直平面向里和向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)Ⅰ、Ⅱ分別分布在L1軌道兩側(cè),如圖1所示,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B,小球視為質(zhì)點(diǎn),忽略小球電荷量的變化。

圖1

(1) 當(dāng)細(xì)管運(yùn)動(dòng)到L1軌道上P2處時(shí),小球飛出細(xì)管,求此時(shí)小球的速度大小;

(2) 小球經(jīng)磁場(chǎng)Ⅱ第一次回到L1軌道上的位置為O,求O和P2間的距離;

(3) 小球回到L1軌道上O處時(shí),細(xì)管在外力控制下也剛好以速度v0經(jīng)過O點(diǎn)處,小球恰好進(jìn)入細(xì)管,此時(shí)撤去作用于細(xì)管的外力。以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),沿L1軌道和垂直于L1軌道建立直角坐標(biāo)系。求小球和細(xì)管速度相同時(shí),小球的位置(此時(shí)小球未從管中飛出)。

2.2 思維過程分析

2.2.1 搜尋信息，分解過程

引導(dǎo)學(xué)生審題,探尋“細(xì)管內(nèi)有一小球”“細(xì)管向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)”“小球經(jīng)磁場(chǎng)Ⅱ第一次回到軌道上”“小球恰好進(jìn)入細(xì)管,此時(shí)撤去作用于細(xì)管的外力”等關(guān)鍵信息，理解了這些關(guān)鍵信息就可分析出本題涉及的三個(gè)物理過程：

(1) 球在細(xì)管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并隨細(xì)管做勻速運(yùn)動(dòng)；

(2) 小球在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)；

(3) 小球進(jìn)入細(xì)管到與細(xì)管速度相同。

2.2.2 分析過程，建構(gòu)模型

對(duì)小球進(jìn)行受力分析,結(jié)合初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來分析其運(yùn)動(dòng)性質(zhì),從而建構(gòu)出三個(gè)“運(yùn)動(dòng)模型”:

(1) 小球在細(xì)管內(nèi)的勻加速運(yùn)動(dòng)與隨細(xì)管勻速運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)；

(2) 小球在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周(圓弧)運(yùn)動(dòng)；

(3) 小球從進(jìn)入細(xì)管到與細(xì)管速度相同的過程中做變速運(yùn)動(dòng)。

2.2.3 基于模型，應(yīng)用規(guī)律

每個(gè)運(yùn)動(dòng)模型都有與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分別是：

(1) 小球在細(xì)管內(nèi)做勻加速運(yùn)動(dòng)，滿足勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；

(2) 小球在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),洛倫茲力提供向心力,滿足牛頓第二定律；

(3) 小球從進(jìn)入細(xì)管到做與細(xì)管速度相同的過程中,洛倫茲力不做功,小球、細(xì)管組成的系統(tǒng)遵從能量守恒定律和動(dòng)量定理。

2.2.4 基于物理規(guī)律，進(jìn)行科學(xué)思維

(3)小球再次進(jìn)入細(xì)管到與細(xì)管速度相同的變速運(yùn)動(dòng)過程中,如何求出它們末態(tài)的共同速度vxt?

對(duì)于變速運(yùn)動(dòng)在初、末狀態(tài)速度確定的情況下,除了從能量視角來列出方程外，還有沒有別的方法?討論后學(xué)生提出：可從運(yùn)動(dòng)與相互作用的視角來思考,由于在兩個(gè)方向上此系統(tǒng)所受的合外力不為零,因此不能應(yīng)用動(dòng)量守恒定律,只能用動(dòng)量定理來解決。教師鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立嘗試解題過程，學(xué)生寫出了動(dòng)量定理的表達(dá)式。在一極短時(shí)間Δt內(nèi),在x方向上有:qvyBΔt=(M+m)Δvx,在y方向上有:-qvxBΔt=mΔvy，因Δt極短,可認(rèn)為物體速度不變,因此有：vyΔt=Δy,vxΔt=Δx。對(duì)于所研究的整個(gè)過程，小球的初始位置坐標(biāo)為(0，0),在x、y方向上的速度分量分別為v0、vy0。末位置坐標(biāo)為(x，y),在x、y方向上的速度分量分別為vxt、0。對(duì)此過程在x、y方向上分別求和得：qB(y-0)=(M+m)(vxt-v0),-qB(x-0)=m(0-vy0),由此可得x、y的表達(dá)式。

2.2.5 基于質(zhì)疑，反思內(nèi)化

解題初步完成后,引導(dǎo)學(xué)生檢視自己的思維過程，及時(shí)進(jìn)行反思,提升能力，讓學(xué)生完成學(xué)案上的表1，表中后三列內(nèi)容為學(xué)生自主填寫,最后師生共同完成求解過程。

2.3 題目拓展

心理學(xué)家布魯納說過:“向?qū)W生提出挑戰(zhàn)性的問題,可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展智慧。”該題可從以下幾方面進(jìn)行拓展：

(1) 畫出小球從開始運(yùn)動(dòng)到飛出細(xì)管瞬間的運(yùn)動(dòng)軌跡;

(2) 當(dāng)細(xì)管由P1勻速運(yùn)動(dòng)到L1軌道上P2處的過程中,作用在細(xì)管上平行于導(dǎo)軌L1、L2的水平外力如何隨時(shí)間變化?表達(dá)式是什么?

(3) 設(shè)細(xì)管在P1處時(shí)t=0,畫出其所受外力隨時(shí)間變化的圖線;

(4) 求P1、P2間的距離;

(5) 若小球由P2點(diǎn)又回到L1軌道上O處,求它在磁場(chǎng)Ⅱ中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間;

表1

(6) 求在小球由P2點(diǎn)回到L1軌道上O處的這段時(shí)間內(nèi)細(xì)管運(yùn)動(dòng)的平均速度。

針對(duì)第(3)問還可以引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)運(yùn)用牛頓第二定律的途徑,培養(yǎng)學(xué)生從多個(gè)視角思考問題,能夠靈活運(yùn)用不同方法解決問題。通過上述一系列問題的情境創(chuàng)設(shè)與解決,提高學(xué)生的思維能力。

3 結(jié)語

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維是靈魂，科學(xué)思維方法包括比較與分類、分析與綜合、抽象與概括、歸納與演繹、批判性思維等,是形成概念、建構(gòu)模型的重要方法。高中物理解題過程主要為：(1) 選定研究對(duì)象(分類)；(2) 分析受力和過程(分析)；(3) 構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型(抽象)；(4) 立出數(shù)學(xué)關(guān)系式(演繹)；(5) 求解檢驗(yàn)(質(zhì)疑)。

與之對(duì)應(yīng)，筆者把其中的思維過程總結(jié)為5步:(1) 提取信息,分解過程;(2) 分析過程,建構(gòu)模型;(3) 基于模型,應(yīng)用規(guī)律;(4) 基于規(guī)律,科學(xué)思維;(5) 基于質(zhì)疑,反思內(nèi)化。

習(xí)題教學(xué)要為科學(xué)思維能力的培養(yǎng)服務(wù),通過具體的問題解決，逐步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用科學(xué)思維方法解決問題的意識(shí)和能力。