陳昱英
(北京市通州區(qū)潞河中學(xué) 北京 101149)
高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)中對(duì)科學(xué)思維的培養(yǎng)是這樣描述的:“通過(guò)高中階段的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)具有建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力;能正確運(yùn)用科學(xué)思維方法,從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理,找出規(guī)律,形成結(jié)論,……能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑,從不同角度思考問(wèn)題,追求科技創(chuàng)新.”
面對(duì)高三專題復(fù)習(xí),在強(qiáng)化“以學(xué)生為中心”的教育理念下,如何圍繞學(xué)生的“學(xué)”選擇合適的教學(xué)方式,設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)呢?筆者通過(guò)幾十年的高中物理教學(xué)實(shí)踐逐漸體會(huì)到:“基于學(xué)生問(wèn)題”的教學(xué)設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)是最有智慧并充滿活力的,它能讓學(xué)生的思維更發(fā)散,讓復(fù)習(xí)更有針對(duì)性和實(shí)效性.
從知識(shí)的整合效果看,金屬棒切割磁感線引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象情境最豐富,歷年高考也最熱門(mén),來(lái)自學(xué)生的討論和質(zhì)疑也最發(fā)散.而解答此類問(wèn)題離不開(kāi)粒子的“微觀受力分析”,這是分析問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)、難點(diǎn)和易混點(diǎn).下面談?wù)劰P者是如何解決這一問(wèn)題,帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)整合的.
【例1】(2019年朝陽(yáng)區(qū)期末試題改編)對(duì)于同一物理問(wèn)題,常??梢詮暮暧^與微觀兩個(gè)不同角度進(jìn)行研究,找出其內(nèi)在聯(lián)系,從而更加深刻地理解其物理本質(zhì).如圖1所示,固定于同一水平面內(nèi)的光滑、平行長(zhǎng)直金屬導(dǎo)軌處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,導(dǎo)軌左端接有定值電阻.粗細(xì)和材質(zhì)均勻的金屬桿MN在與其垂直的水平恒力作用下,在導(dǎo)軌上勻速向右運(yùn)動(dòng);金屬桿MN始終與導(dǎo)線框形成閉合電路,其長(zhǎng)度恰好等于平行軌道的間距,導(dǎo)軌電阻不計(jì).已知定值電阻的阻值為R,金屬桿MN的電阻為r,水平恒力為F,某段時(shí)間內(nèi),金屬桿MN向右運(yùn)動(dòng)距離為x.……
圖1 例1題圖
經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為,在金屬導(dǎo)體中,定向移動(dòng)的自由電子頻繁地與金屬離子發(fā)生碰撞,把定向移動(dòng)的動(dòng)能不斷傳遞給金屬離子,使金屬離子的熱振動(dòng)加劇,因而導(dǎo)體的溫度升高.在考慮大量自由電子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí),電子與金屬離子的碰撞結(jié)果可視為導(dǎo)體對(duì)電子有連續(xù)的阻力.
請(qǐng)展開(kāi)你想象的翅膀,給出一個(gè)合理的自由電子的運(yùn)動(dòng)模型,并在此基礎(chǔ)上設(shè)置問(wèn)題,分析并給出解答.
這是電磁感應(yīng)中常見(jiàn)的單棒切割模型,要求從微觀角度構(gòu)建電子的運(yùn)動(dòng)模型.原題為“求解阻力大小”,此處改為“由學(xué)生自主設(shè)置問(wèn)題、分析解答”.
建構(gòu)電子的合理運(yùn)動(dòng)模型,從微觀角度分析其受力(既是要點(diǎn)、又是易錯(cuò)點(diǎn)),從而使問(wèn)題得到解答.
看起來(lái)不難,但高三學(xué)生經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的復(fù)習(xí),已經(jīng)積累有大量模型,思維也足夠發(fā)散,于是問(wèn)題出現(xiàn)了.
如何構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型(說(shuō)明理由,此文略)?如何理解區(qū)分自由電子所受“洛倫茲力、電場(chǎng)力、介質(zhì)阻力”?何時(shí)、何條件下只考慮1個(gè)力、2個(gè)力、3個(gè)力的作用呢?
在高三復(fù)習(xí)中,常規(guī)方法只能讓學(xué)生學(xué)會(huì)“解題”.為真正的“解決問(wèn)題”,筆者引導(dǎo)學(xué)生自主討論、采用分析類比的方法,進(jìn)行不同模型的多維度剖析,讓思維更深入.于是,充滿生機(jī)和內(nèi)涵的專題復(fù)習(xí)就這樣開(kāi)始了……
(1)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)
學(xué)生在思考、簡(jiǎn)述、補(bǔ)充……,提出一些可能的運(yùn)動(dòng)情境.如:
1)電子僅在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)(如電場(chǎng)中的直線、曲線運(yùn)動(dòng)等).
2)電子僅在洛倫茲力作用下的運(yùn)動(dòng)(如磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)等)……
(2)教學(xué)后記
因進(jìn)入專題復(fù)習(xí),此部分內(nèi)容學(xué)生已基本掌握,適合簡(jiǎn)述、歸納即可.
3.2.1 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)
學(xué)生先獨(dú)立思考、畫(huà)出模型簡(jiǎn)圖,再分小組討論、補(bǔ)充、板演展示……,在教師引導(dǎo)下完成下面模型1的分析過(guò)程,其他模型將交給學(xué)生完成,筆者只在必要時(shí)作簡(jiǎn)單點(diǎn)評(píng).來(lái)自學(xué)生的、有代表性的模型如下.
模型1:金屬棒MN垂直磁感線方向勻速運(yùn)動(dòng),外電路斷路(即R=∞).
(1)運(yùn)動(dòng)模型
如圖2所示.
圖2 模型1勻速切割(無(wú)外電路)
設(shè)電子在金屬棒內(nèi)部,從靜止開(kāi)始,沿金屬棒方向開(kāi)始運(yùn)動(dòng),使MN兩端產(chǎn)生電勢(shì)差,電子同時(shí)受到沿金屬棒方向大小不變的洛倫茲力和逐漸增大的電場(chǎng)力作用,最終兩力平衡,電子靜止.
(2)受力分析
在金屬棒內(nèi)部,電子受兩個(gè)力作用,即電場(chǎng)力F電場(chǎng)和洛倫茲力F洛,達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)有
F電場(chǎng)=F洛
即
得
UMN=Blv
兩力方向見(jiàn)圖2.
討論:推導(dǎo)結(jié)果說(shuō)明什么?(答略)
(3)難點(diǎn)剖析
為何最終平衡時(shí)未考慮電子受到的介質(zhì)阻力?
因金屬棒做切割磁感線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,外電路斷路,電子最終達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),將保持靜止?fàn)顟B(tài),不與金屬離子發(fā)生碰撞,即電子不受介質(zhì)阻力作用.
模型2:金屬棒MN垂直磁感線方向勻速運(yùn)動(dòng),外電路短路(即R=0).
(1)運(yùn)動(dòng)模型
如圖3所示.
圖3 模型2勻速切割(外電路短路)
設(shè)電子沿金屬棒方向,做勻速運(yùn)動(dòng)(運(yùn)動(dòng)方向向下).
討論:為什么可以假設(shè)電子勻速運(yùn)動(dòng)?(答略)
(2)受力分析
在金屬棒內(nèi)部,電子受兩個(gè)力作用,即洛倫茲力F洛和介質(zhì)阻力f阻,兩力平衡
f阻=F洛
即
f阻=eBv
兩力方向見(jiàn)圖3.
討論:推導(dǎo)結(jié)果說(shuō)明什么?(答略)
(3)難點(diǎn)剖析
1)為何不考慮電子受到的電場(chǎng)力?
因金屬棒作切割磁感線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,外電路短路,金屬棒MN兩端無(wú)電勢(shì)差、即電子不受電場(chǎng)力作用.
2)洛倫茲力做功了嗎?
學(xué)生討論、交流,教師點(diǎn)評(píng)(解答略).
模型3:含直流電源E,金屬棒MN靜止,所在區(qū)域無(wú)磁場(chǎng).
(1)運(yùn)動(dòng)模型
如圖4所示.假設(shè)電子以速度u沿金屬棒勻速運(yùn)動(dòng).
圖4 模型3有電源、無(wú)磁場(chǎng)
(2)受力分析
沿金屬棒方向,電子受兩個(gè)力作用,即電場(chǎng)力F電場(chǎng)和介質(zhì)阻力f阻,兩力平衡f阻=F電場(chǎng), 即
兩力方向見(jiàn)圖4.
(3)難點(diǎn)剖析
1)為何不考慮電子受到的洛倫茲力?
金屬棒所在區(qū)域無(wú)磁場(chǎng).
2)電壓UMN的含義?
閉合電路的路端電壓.
3)影響介質(zhì)阻力大小的可能因素有哪些?
電子運(yùn)動(dòng)速度u大小(速度方向如圖4).如f阻∝u,f阻∝u2,…
3.2.2 教學(xué)后記
這是本節(jié)課中,針對(duì)“源于學(xué)生問(wèn)題”展開(kāi)討論、展示思維過(guò)程的重要教學(xué)環(huán)節(jié),教師需要耐心傾聽(tīng)、讓學(xué)生真正成為教學(xué)的主體,喚起學(xué)習(xí)的樂(lè)趣,讓質(zhì)疑、討論成為習(xí)慣,教師只在必要時(shí)給予表?yè)P(yáng)或點(diǎn)評(píng).效果非常好.
3.3.1 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)
承上啟下:模型源于“環(huán)節(jié)1”的引課內(nèi)容(金屬棒MN垂直磁感線方向勻速運(yùn)動(dòng),內(nèi)外電阻分別為r和R)
小組討論:學(xué)生自主設(shè)置問(wèn)題、討論并分析解答,整合并構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)(學(xué)生問(wèn)題較多,不可能在課上完成所有解析,需教師把握時(shí)間及內(nèi)容,做重點(diǎn)解析即可).
模型4:回顧環(huán)節(jié)1中的示例(如圖5和圖6),進(jìn)行多維度分析、討論.
圖5 金屬棒勻速切割
圖6 受力放大圖(從宏觀到微觀)
(1)小組討論質(zhì)疑
組織學(xué)生分組討論、寫(xiě)出問(wèn)題、交流分享.下面列舉一些學(xué)生的問(wèn)題,如:
1)建立合理的自由電子運(yùn)動(dòng)模型,說(shuō)出原因.(學(xué)生討論、分析)
畫(huà)出金屬棒中的電子受力圖,如圖5所示.
2)寫(xiě)出電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式?給出不同的推導(dǎo)方法.
建議推導(dǎo)方法:法拉弟電磁感應(yīng)定律、電動(dòng)勢(shì)定義、電子受力平衡、能量守恒等.
3)在金屬棒產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的過(guò)程中,說(shuō)明是什么力充當(dāng)非靜電力?寫(xiě)出其大小表達(dá)式.
理解動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生,沿金屬棒方向的洛倫茲力提供非靜電力.
4)若電子沿金屬棒勻速運(yùn)動(dòng),寫(xiě)出其所受介質(zhì)阻力大小的表達(dá)式.
需要給出已知條件,從不同角度寫(xiě)出.
5)從宏觀看,金屬棒做勻速運(yùn)動(dòng)的條件是什么?
建議從受力、功能關(guān)系、能量轉(zhuǎn)化等角度給出分析.如圖6所示.
6)在圖示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,寫(xiě)出各力所做的功.
提示:從宏觀到微觀,多維度分析、思考.
7)在圖示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,寫(xiě)出通過(guò)金屬棒導(dǎo)體橫截面電荷量大小、產(chǎn)生熱量大小等?
提示:注意理解電荷量、熱量概念含義,分析解答……
(2)多維度分析
重點(diǎn)解析舉例如下.
1)動(dòng)力學(xué)
當(dāng)電子沿金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),受力平衡(如圖6所示).
F洛=F電場(chǎng)+f阻
其中
F洛=evB
代入得
設(shè)金屬棒整體含電子個(gè)數(shù)為nLs(其中s為金屬棒橫截面積,n為單位體積含電子個(gè)數(shù)).
對(duì)金屬棒中的所有電子,受力平衡
2)功能關(guān)系
若電子在金屬棒內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度大小為u,運(yùn)動(dòng)時(shí)間為Δt,代入上式,得出金屬棒中所有電子所受各力做功的關(guān)系式
(nLs)evB·(uΔt)=
(3)深層思考
上式中各項(xiàng)的物理意義?分析如下.
從微觀角度理解電流大小
從電動(dòng)勢(shì)定義理解電動(dòng)勢(shì)大小
代入后整理得
EIΔt=UIΔt+(nLs)f阻(uΔt)
3.3.2 教學(xué)后記
針對(duì)“小組討論質(zhì)疑”環(huán)節(jié)生成的問(wèn)題,并不需要在本節(jié)課都得到解決,但要求組長(zhǎng)記錄并在課下分享到班級(jí)的微信物理大群中,利用課余時(shí)間思考、討論.這已成為高三復(fù)習(xí)課的常態(tài),教師會(huì)及時(shí)關(guān)注學(xué)生在課上、課下尚未解答的問(wèn)題,及時(shí)采用網(wǎng)絡(luò)或其他方式進(jìn)行答疑.
在“多維度分析”環(huán)節(jié),既是對(duì)模型4中的難點(diǎn)突破,也是對(duì)學(xué)生規(guī)范書(shū)寫(xiě)的訓(xùn)練,此環(huán)節(jié)必不可少.
“深層思考”環(huán)節(jié)只有程度較好的學(xué)生能夠進(jìn)入,必要時(shí)需要教師引導(dǎo)進(jìn)行,此環(huán)節(jié)為思維提升內(nèi)容,可以選擇使用或布置課下完成.
教師:除本節(jié)討論內(nèi)容外,還有哪些相似模型呢?
學(xué)生:課下思考,為下節(jié)交流討論提供素材,提高學(xué)習(xí)興趣.
例如:圖5中的電阻R換成直流電源E(包括變換電極等)、換成電容器C……
總之,這是一節(jié)源于學(xué)生問(wèn)題的專題復(fù)習(xí)課,要求學(xué)生敢想、敢問(wèn)、敢做,并有解決問(wèn)題的態(tài)度和意愿;能針對(duì)多角度、多層次的深度思考,并對(duì)問(wèn)題給出合理的解釋與解決.只有這樣,才能深化學(xué)生對(duì)物理知識(shí)結(jié)構(gòu)的理解,真正做好知識(shí)的融會(huì)貫通,由表及里,通過(guò)層層剖析,加強(qiáng)學(xué)生的深度思考和綜合分析問(wèn)題的能力,貫徹物理學(xué)科的課程理念,提升學(xué)生的科學(xué)思維水平.