昌明彥

(貴州省思南中學 565100)

所謂“編程思維(computational thinking)”就是“理解問題——找出路徑”的思維過程，它由分解、模式識別、抽象、算法四個步驟組成，如圖1所示.解答物理試題一般也包含四個步驟，即確定研究對象；受力和運動分析(建立模型)；運用概念、規(guī)律、定理和公式等列方程；解方程和驗證結果是否符合題意.以2020年全國卷Ⅲ第25題為例闡述編程思維在物理試題中分析、解答的應用技巧.

圖1

真題呈現(xiàn)如圖2，相距L=11.5m的兩平臺位于同一水平面內(nèi)，二者之間用傳送帶相接.傳送帶向右勻速運動，其速度的大小v可以由驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)需要設定.質(zhì)量m=10kg的載物箱(可視為質(zhì)點)，以初速度v0=5.0m/s自左側平臺滑上傳送帶.載物箱與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.10，重力加速度取g=10 m/s2.

圖2

(1)若v=4.0m/s，求載物箱通過傳送帶所需的時間；

(2)求載物箱到達右側平臺時所能達到的最大速度和最小速度；

思維分析根據(jù)題意可知載物箱以恒定速度v0在傳送帶上從左向右運動，采用編程思維分析如圖3:

圖3

經(jīng)過上述四步分析，可知載物箱的質(zhì)量m=10kg和初速度v0=5.0m/s，傳送帶的長度L=11.5m，載物箱與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)μ=0.10在(1)、(2)、(3)問中均保持不變的.而傳送帶的速度在每一問中均不相同，這是解答本題的關鍵點.

關鍵能力本題的關鍵能力為理解能力、模型建構能力和推理能力，能用傳送帶模型，通過對載物箱的受力分析，得出運動情況，再運用牛頓運動定律、動能定理和沖量、動量定理解答.

解題思路(1)傳送帶的速度v=4.0m/s小于載物箱速度v0=5.0m/s，可得載物箱先做勻減速運動，在水平方向只受動摩擦力.

由牛頓第二定律:

μmg=ma

①

設載物箱速度減小到與傳送帶速度相等時位移為x1，由運動學公式：

②

聯(lián)立①②式得x1=4.5m

③

x1=4.5m小于L=11.5m，當載物箱速度與傳送帶速度相等后，做勻速運動

v=v0-at1

④

⑤

聯(lián)立①③④⑤式得t=2.75s

閱卷過程中，發(fā)現(xiàn)部分學生將①寫成a=μg,這個不是牛頓第二定律原始表達式.

(2)要讓載物箱達到最大速度，載物箱必需一直做加速運動，設定傳送帶的速度一直比載物箱速度還要大即可.

最大速度：根據(jù)動能定理

⑦

要讓載物箱達到最小速度，載物箱必需一直做減速運動，設定傳送帶的速度一直比載物箱速度還要小即可.

最小速度：根據(jù)動能定理

⑧

代入數(shù)據(jù)得：

此問還可以用牛頓第二定律和運動學公式進行解答，也可以用運動學公式和動量定理解答.

閱卷過程中，針對該問，還發(fā)現(xiàn)部分學生對載物箱在傳送帶上運動進行討論判斷運動情況，問題出在沒有理解“傳送帶的速度大小v可以由驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)需要設定”這句話的意義.

同時，還發(fā)現(xiàn)部分學生對該問是這樣解答的.

錯誤一 ：

最大速度：根據(jù)動能定理

最小速度：根據(jù)動能定理

錯誤二：

最大速度：根據(jù)動能定理

F=μmg

最小速度：根據(jù)動能定理

F=μmg

從物理知識角度來看，好像沒有問題，但是閱卷教師給的是0分.有些同學會問，為什么呢？

如果再認真審題發(fā)現(xiàn)字母v已經(jīng)用來表示傳送帶的速度了，故載物箱到達右側平臺時所能達到的最大速度和最小速度不能用字母v來表示了.載物箱在傳送帶上從左向右運動的位移在題干中是用字母L表示的，在書寫物理公式時要有所指，不能套用課本書上的原始公式.在編程過程中，如果同一個字母或單詞表示幾個對象，在程序調(diào)試的過程中將會出錯，或者只運行最后一個.如果學生體驗過編程環(huán)節(jié)，對于該題就不會犯這種錯誤.

根據(jù)編程思維，把復雜的問題分解——化繁為簡，其實在解決多物體多過程試題時，一般將全過程進行分解，分析每個物體每個過程的規(guī)律；抽象理解——聚焦關鍵，物理試題來源于生活，一般將研究對象從環(huán)境中分離出來，建立理想化模型；模式識別—整合規(guī)律，每個研究對象在各階段的運動和受力情況，滿足哪些規(guī)律、定律和定理.

近期教育部回答政協(xié)提案中講到，將編程教育納入到中小學相關課程中.如果學生掌握了編程思維，物理教學將達到事半功倍的效果.