唐昌琳 蔣龍飛

[摘? ?要]物理概念是學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)，概念理解不準(zhǔn)確、掌握不夠熟練直接影響學(xué)生對物理學(xué)科的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。如何讓學(xué)生快速準(zhǔn)確地理解掌握物理概念是高中物理教學(xué)的關(guān)鍵問題。筆者在幾十年的教學(xué)實踐與反思中發(fā)現(xiàn)，從學(xué)生已經(jīng)掌握的知識出發(fā)，逐漸遞進(jìn)，不但可以提高學(xué)生對新概念的接受速度，還可以提高學(xué)生對新概念理解的準(zhǔn)確度，同時對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，對提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)都有積極作用。

[關(guān)鍵詞]高中物理;概念教學(xué);科學(xué)思維

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? ?A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）20-0034-03

一、基于已知知識，開展概念教學(xué)

所謂已知知識就是學(xué)生已經(jīng)掌握的物理知識或生活常識，基于已知知識的物理概念教學(xué)，就是從已經(jīng)掌握的物理知識或生活常識出發(fā)，幫助學(xué)生建立新的物理概念的過程。本文結(jié)合三個教學(xué)片段進(jìn)行分析說明。

1.位移與路程教學(xué)片段

已知知識：在初中學(xué)生已經(jīng)知道，當(dāng)一個物體相對另一個物體的位置發(fā)生了變化，就說這個物體發(fā)生了機(jī)械運動，簡稱運動。

新概念的產(chǎn)生：

【教師】什么叫作機(jī)械運動？

【學(xué)生】當(dāng)一個物體相對另一個物體的位置發(fā)生變化，叫作機(jī)械運動。

【教師】對！如一個同學(xué)由我們教室的右前方的A位置移動到了左后方的B位置，他相對教室的位置發(fā)生了變化，我們說這個同學(xué)做了機(jī)械運動。

【教師】那么我們怎樣簡單地描述該同學(xué)由A位置移動到B位置這一事實呢？

【學(xué)生】需要描述A位置到B位置的距離。

【教師】對。這個距離可用連接AB的直線描述，如圖1所示。這樣就能把該同學(xué)的位置移動描述清楚了嗎？

【學(xué)生】不能。

【教師】那還需要什么呢？

【學(xué)生】還需要描述該同學(xué)是由A位置移動B位置。

【教師】對。如圖1所示，我們是不知道他是由A到B，還是由B到A的。請問用什么方法可描述該同學(xué)由A位置移動到B位置呢？

【學(xué)生】用一個由A指向B的箭頭就可以描出該同學(xué)由A位置移動到B位置的位置移動方向了。

【教師】對。如圖2所示，我們就可以把該同學(xué)位置移動的距離與移動的方向描述清楚了。在物理學(xué)中把這一描述位置移動的距離與方向的有向線段叫作位移。

位移：由初始位置指向末了位置的有向線段。線段的長度表示位置移動的距離（也叫位移的大?。?，箭頭表示移動的方向。

【教師】請問該同學(xué)確實是沿AB直線由A位置移到B位置的嗎？

【學(xué)生】因為有桌子阻擋，他不可能沿直線由A到B，除非把所有桌子移開。

【教師】對。我們教室整齊地排列著4組課桌，該同學(xué)不可能沿直線由A到B，如圖3所示，他可以沿ACB、ADB等路徑由A到B。如果把課桌移走，他還可以沿任意路徑由A到B，如圖4中Ⅱ所示。

圖3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖4

這樣看來，位移只能描述位置移動的始末，不能描述具體的運動過程。為了描述運動的具體路徑過程，我們又引入一個描述具體路徑實際長度的物理量——路程。

路程：運動軌跡的實際長度。

【小結(jié)】物體由不同路徑從一個位置運動到另一個位置，路程是不一樣的，但位移總是相同的。不管怎樣運動，都存在路程大于等于位移大小這一事實，而且只有在單方向的直線運動中路程才等于位移大小。

以上是一個利用學(xué)生熟悉的教室布局，再由學(xué)生在初中就已經(jīng)掌握了的機(jī)械運動出發(fā)，層層遞進(jìn)，建立位移、路程概念的教學(xué)片段。這一基于已知知識的新概念教學(xué)不但成功地幫助學(xué)生建立了位移、路程兩個新的物理概念，也為下一個新概念“矢量”的引入打下了基礎(chǔ)。

2.動能和動能定理教學(xué)片段

已知知識：在初中學(xué)生就已經(jīng)知道了力對物體做功等于力和物體在力的方向上移動的距離的乘積，即[W=Fs]，也知道做了多少功就有多少能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。物體由于運動所具有的能叫作動能。進(jìn)入高一以后，在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前學(xué)生已經(jīng)掌握了勻變速直線運動與牛頓第二定律的相關(guān)知識，即[s=v0t+12at2]，[v2t-v20=2as]、[F=ma]等。

新概念的產(chǎn)生：

【教師】大家都知道力是改變物體運動狀態(tài)的原因，那么我們就來看看下面這個物理模型中力與運動狀態(tài)變化之間的關(guān)系。

建立模型：一個質(zhì)量為m的物體，以初速度[v1]滑上一粗糙水平地面，其與地面間的動摩擦因數(shù)為[μ]，在滑上水平地面的同時受到一個與運動方向相同的恒定拉力F的作用并移動一段位移s，速度增加到[v2]，試討論物體所受外力對物體做功與物體速度變化之間的關(guān)系。

【教師】請大家在草稿紙上畫出物體受力示意圖及運動過程示意圖，并請A同學(xué)上講臺來，在黑板上畫出示意圖。

【A同學(xué)】畫出的示意圖如圖5所示。

【教師】物體所受合外力怎樣？它將做什么運動？

【學(xué)生】物體所受合外力為：[F合=F-f]。因為物體受與速度同向的恒力作用，所以物體做初速度為[v1]的勻加速直線運動，其加速度遵循[F合=ma]。

【教師】這個合外力對物體做的功與速度變化之間有什么關(guān)系呢？請B同學(xué)上講臺來，在黑板上推導(dǎo)，其他同學(xué)在草稿紙上完成。

【B同學(xué)】[W=F合s]……①

[F合=ma]………②

[v22-v21=2as]……③

由②③式可得：[F合=mv22-v212s]

將上式代入①式可得：[W=12mv22-12mv21]……④

【教師】我們知道外力做了多少功就有多少能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，從這個角度來看，④式右邊應(yīng)該是某種能量的變化。這個能量與物體運動的速度有關(guān)，即由于物體運動所具有的能量——應(yīng)該就是我們在初中所說的動能。

【動能】一個物體運動所具有的能叫作動能，等于物體質(zhì)量與物體速度的二次方的乘積的一半，表達(dá)式為：[Ek=12mv2]。

從④式整體來看，外力對物體做的功等于物體動能的增量，這就是我們在高中階段要知道的第一個重要定理——動能定理。

【動能定理】外力對物體做的功等于物體動能的增量，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

[W=12mv22-12mv21]

雖然學(xué)生在初中已經(jīng)知道“物體由于運動所具有的能叫作動能”，也知道“物體的動能跟質(zhì)量和速度有關(guān)，速度越大，質(zhì)量越大，它具有的動能就越大[1]”，但動能的多少，怎樣量度，還是不清楚的。本教學(xué)片段利用功、牛頓第二定律及運動學(xué)知識，導(dǎo)出一個等式，左邊是力對物體做的功，右邊是一個差值。根據(jù)初中掌握的“力做了多少功就有多少能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能”，學(xué)生很容易理解右邊應(yīng)該是某種形式能量的增加量，因為這一能量與物體運動速度有關(guān)，應(yīng)該就是初中物理所說的物體由于運動所具有的能——動能。

以上是從初中所學(xué)知識及高中階段在本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)之前已經(jīng)掌握的知識出發(fā)，得出動能的計算式及動能定理，整個過程自然流暢，學(xué)生容易接受。

二、利用概念教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)之科學(xué)思維主要包括模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。這些要素在各種不同的課型中都會得到相應(yīng)的訓(xùn)練，概念教學(xué)也不例外，實例如下。

《功率》的教學(xué)片段

已知知識：日常生活中關(guān)于工作效率、學(xué)習(xí)效率的含義;初中階段已掌握的“把做功的多少與所用時間的比叫作功率”;高中在學(xué)習(xí)本節(jié)《功率》之前學(xué)生已經(jīng)掌握了力對物體做的功[W=Fscosθ];物體的平均速度[v=ΔsΔt]，其中[Δt]為發(fā)生位移[Δs]對應(yīng)的一段時間，則[v]為這段時間的平均速度，如果從開始計時算起[Δt→0]，則為該時刻的瞬時速度。（教師把數(shù)學(xué)表達(dá)式呈現(xiàn)在黑板的一角）

新概念的產(chǎn)生：

【教師】我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｕf效率一詞，請問什么叫作效率？

【學(xué)生】效率就是單位時間內(nèi)完成事件的多少，也就是完成某個事件跟完成這個事件所需時間的比值。

【教師】請舉例說明。

【學(xué)生】如某同學(xué)2小時完成20道題，他做作業(yè)的效率是10道/小時。

【教師】該同學(xué)恰好是每小時做完10道題嗎？

【學(xué)生】不是的，這是一個平均值。

【教師】為什么？

【學(xué)生】因為20道題里面既有選擇題、填空題，也有計算題。他也許是第1個小時完成了16道選擇題和填空題，第2個小時完成4道計算題。

【教師】很好！那么請問大家，力對物體做功的效率又應(yīng)該如何表達(dá)呢？

【學(xué)生】應(yīng)該是該力在單位時間內(nèi)所做功的多少，或者說是力對物體所做的功跟完成這個功所需時間的比值。

【教師】非常正確，為了簡化表達(dá)，我們把力對物體做功的效率叫作功率。

今天我們就來學(xué)習(xí)功率這個概念，板書課題并給出功率的定義和數(shù)學(xué)表達(dá)式。

【功率】力對物體做的功W與完成這些功所需時間t的比值。

數(shù)學(xué)表達(dá)式：[P=Wt]

單位：國際單位為瓦特。

符號是W，[1W=1 J/s]。

【教師】功有負(fù)值，功率有沒有負(fù)值？

有的學(xué)生回答“有”，有的學(xué)生回答“沒有”，讓回答“沒有”的學(xué)生說明理由。

【學(xué)生】就像我們做作業(yè)的效率，不可能有-5道題/小時一樣，我認(rèn)為功的效率應(yīng)該是力對物體做功的絕對值跟所需時間的比值。

【教師】很正確，效率最小是0，不可能有負(fù)值，也就是說功率是沒有負(fù)值的。

概念的深化：

【教師】根據(jù)前面的知識我們知道，用[P=Wt]求出的功率應(yīng)該是t時間內(nèi)的平均功率，如果從計時開始所取的[t→0]，則求出的功率是什么功率？

【學(xué)生】從平均速度與瞬時速度的關(guān)系可知，當(dāng)[t→0]時，求出的應(yīng)該是該時刻的瞬時功率。

【教師】對。不過目前我們還不具備用[P=Wt]求瞬時功率的數(shù)學(xué)知識。那么我們有沒有更好的辦法求瞬時功率呢？讓我們一起來推推看。

[P=Wt] ………………①

[W=Fs cos θ] ………②

將②代入①有[P=Fscosθt] ，考慮到[v=st] ，可得：[P=Fvcosθ] ………③

如果t為一段時間，則③式中的v為t時間內(nèi)的平均速度，則P為t時間內(nèi)的平均功率;如果從計時開始所取的[t→0]，則v為開始計時時刻的瞬時速度，P就是該時刻的瞬時功率。

【教師】在②式中，[θ]表示力F的方向與位移s的方向的夾角，那么在③式中[θ]表示什么意思呢？

【學(xué)生】在③式中[θ]表示F的方向與速度v的方向的夾角。

【教師】理由是什么？

【學(xué)生】因為速度方向跟位移方向是一致的，所以力的方向與位移方向的夾角也就是力的方向與速度方向的夾角。

這是一個基于已知知識，從生活走向物理的教學(xué)片段。在平均功率、瞬時功率新概念的建立過程中著重培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)推理與科學(xué)論證能力。

注：本文作者為《廣西普通高中物理學(xué)科教學(xué)關(guān)鍵問題實踐研究》（2018ZJY235）課題組成員。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 瀘粵版初中物理教材編寫組.義務(wù)教育教科書物理（九年級上冊）[M].廣州：廣東教育出版社，上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2017.

[2]? 人民教育出版社高中物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]? 人民教育出版社高中物理教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 易志毅）