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        巧設(shè)物理情境 培養(yǎng)科學(xué)思維*
        ——以一道高三模擬題的教學(xué)為例

        2022-09-01 13:20:06曾長(zhǎng)興
        物理通報(bào) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:物塊桌面軌道

        曾長(zhǎng)興

        (華中師范大學(xué)龍崗附屬中學(xué) 廣東 深圳 518172)

        1 問(wèn)題的提出

        中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系構(gòu)建的“一核四層四翼”明確提出,情境是實(shí)現(xiàn)“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”的綜合考查的載體.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)指出,創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用.高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一是科學(xué)思維,它主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[1].不管是教學(xué),還是考試,情境化是一個(gè)重要的方向.創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的意識(shí)和能力具有關(guān)鍵作用.

        習(xí)題教學(xué)是高三物理復(fù)習(xí)的一個(gè)“實(shí)踐性”環(huán)節(jié),更是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維及規(guī)范答題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2].在高三物理教學(xué)中,習(xí)題課常常變成“講題”課和“做題”課,許多具有深度邏輯關(guān)系、豐富情境內(nèi)涵的習(xí)題,往往沒(méi)有充分挖掘其內(nèi)在價(jià)值就匆匆講解而過(guò).學(xué)生也是被動(dòng)接受,剛剛領(lǐng)會(huì)題目題意、進(jìn)入狀態(tài)時(shí),又要馬上進(jìn)入下一例題的思考解答之中.這樣的教學(xué)雖然能夠達(dá)到對(duì)知識(shí)與技能的訓(xùn)練,但是學(xué)生的思維能力卻得不到針對(duì)性的培養(yǎng).如何在高三物理習(xí)題教學(xué)中融入物理情境、落實(shí)科學(xué)思維的培養(yǎng)是一線教師關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題.

        下面將通過(guò)對(duì)一道高三模擬題的高度備課引領(lǐng)深度學(xué)習(xí),促進(jìn)教師、學(xué)生在物理情境中體驗(yàn)解題思路與物理思維方法.

        2 案例呈現(xiàn)及設(shè)計(jì)意圖

        【例題】(廣州市2022屆高三年級(jí)階段訓(xùn)練第14題)如圖1所示,物塊A靜止在光滑軌道水平段的末端,物塊B從光滑軌道頂端無(wú)初速度釋放,B與A碰撞后A水平拋出.已知A與B開(kāi)始時(shí)的高度差h0=0.20 m,拋出點(diǎn)距離水平地面的高度h=0.45 m.兩物塊落地點(diǎn)距離軌道末端的水平距離s1=0.15 m,s2=0.30 m,重力加速度g=10 m/s2.求:

        (1)B撞擊A的速度大小;

        (2)A與B的質(zhì)量之比.

        圖1 例題題圖

        設(shè)計(jì)意圖:該題以經(jīng)典的學(xué)習(xí)探索類情境——碰撞模型為情境素材,綜合考查學(xué)生對(duì)力與運(yùn)動(dòng)、動(dòng)量、能量分析等三大觀點(diǎn)的理解和掌握情況.題目基于碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)置不同質(zhì)量下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),突破典型碰撞過(guò)程中的動(dòng)量守恒.情境設(shè)置由傾斜軌道上的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、水平軌道上的勻速直線運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)3個(gè)過(guò)程,對(duì)規(guī)律理解、模型建構(gòu)、推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等思維能力要求較高.

        在對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析中,B與A碰撞后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是學(xué)生解題時(shí)產(chǎn)生的思維障礙,判斷B和A的落點(diǎn)位置是解決該題的關(guān)鍵點(diǎn).下面將例題對(duì)科學(xué)思維的4個(gè)要素考查情況與相應(yīng)的關(guān)鍵問(wèn)題統(tǒng)計(jì)如表1所示.

        表1 科學(xué)思維考查指向

        3 高端備課引領(lǐng)深度學(xué)習(xí)

        3.1 巧設(shè)問(wèn)題情境 引導(dǎo)學(xué)生模型建構(gòu)

        問(wèn)題情境是課堂教學(xué)的需要,把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題分解為若干較簡(jiǎn)單的問(wèn)題,按照“情境、問(wèn)題、建?!钡某绦蛑鹨贿M(jìn)行,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力、加強(qiáng)學(xué)生思維習(xí)慣的養(yǎng)成具有關(guān)鍵性的意義.

        情境1:如圖2所示,物塊B以初速度v0沿光滑桌面水平拋出,已知桌面距離地面高度為h,不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g.

        圖2 情境1示意圖

        問(wèn)題:物塊從水平桌面拋出做什么運(yùn)動(dòng)?根據(jù)題設(shè)和已知條件能求出哪些物理量?

        模型建構(gòu):情境1要求學(xué)生能夠建立物塊在水平桌面的勻速直線運(yùn)動(dòng)和離開(kāi)桌面后平拋運(yùn)動(dòng)的物理模型,熟練應(yīng)用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律,解決熟悉情境中的具體問(wèn)題.分析物塊的運(yùn)動(dòng),有利于建立運(yùn)動(dòng)與作用觀、能量觀,設(shè)置開(kāi)放式情境問(wèn)題,有助于培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力和發(fā)散性思維.

        情境2:如圖3所示,物塊A靜止在光滑軌道水平桌面末端,物塊B以初速度v0向前運(yùn)動(dòng),B與A碰撞后,兩物塊均水平拋出.已知桌面距離地面高度為h,不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g.

        圖3 情境2示意圖

        問(wèn)題:已知物塊A和B落地點(diǎn)距離桌面末端的水平距離分別為s1和s2,物塊A與B的質(zhì)量之比是多少?

        模型建構(gòu):情境2增加了研究對(duì)象,結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)一步考查碰撞模型,學(xué)生不僅需要具備模型建構(gòu)能力,同時(shí)也要具備一定的理解能力和推理論證能力.碰撞后A和B均向右水平拋出,根據(jù)碰撞的基本規(guī)律可知,B的速度小于A的速度,故落地時(shí)B的距離小于A的距離.

        情境3:如圖4所示,物塊A靜止在光滑軌道水平段的末端,物塊B從光滑軌道頂端無(wú)初速度釋放,B與A碰撞后,A水平拋出.已知A與B開(kāi)始時(shí)的高度差為h0,桌面距離地面高度為h,不計(jì)空氣阻力,重力加速度為g.

        圖4 情境3示意圖

        問(wèn)題:B與A碰撞前的速度多大?碰撞后A和B如何運(yùn)動(dòng)?若兩物塊落地點(diǎn)距離軌道末端的水平距離為s1和s2,則兩物塊的質(zhì)量之比是多少?

        模型建構(gòu):情境3增加了傾斜的直軌道,使得物理情境變得更復(fù)雜,考查牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律.由于前概念的影響,很多學(xué)生不加分析直接認(rèn)為,A與B碰撞后均水平拋出,A落在前面,B落在后面,利用落點(diǎn)距離求出兩滑塊的質(zhì)量之比.

        實(shí)際上,碰撞后A與B可能同向運(yùn)動(dòng),也可能反向運(yùn)動(dòng);B反向運(yùn)動(dòng)也可能出現(xiàn)兩種情況:沿圓弧返回后,落點(diǎn)可能在A點(diǎn)之前,也可能在A點(diǎn)之后.該題情境真實(shí),開(kāi)放性大,探究性強(qiáng),如果能夠設(shè)計(jì)碰撞實(shí)驗(yàn),用證據(jù)證明結(jié)論,那么學(xué)生的思維瓶頸能夠順利解決.

        3.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境 促進(jìn)學(xué)生推理論證

        物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué),利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟知的、形象直觀的物理情境,不僅能夠激發(fā)學(xué)生的求知、探究欲望,還能引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)思想和方法,更能培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、積極探索的科學(xué)思維習(xí)慣.筆者借助實(shí)驗(yàn)室的平拋運(yùn)動(dòng)演示儀,組織學(xué)生一起實(shí)驗(yàn)探究,形象直觀地解決了落點(diǎn)距離與質(zhì)量的關(guān)系.

        3.2.1 猜想假設(shè)

        B與A碰撞后,A,B將怎樣運(yùn)動(dòng)?哪個(gè)物塊運(yùn)動(dòng)的距離更遠(yuǎn)?學(xué)生普遍認(rèn)為A和B均向右運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)的水平距離sA>sB.

        3.2.2 實(shí)驗(yàn)探究

        如圖5所示,將小球B從圓弧頂端靜止釋放,經(jīng)水平軌道后做平拋運(yùn)動(dòng),讓學(xué)生觀察并記錄落點(diǎn)的位置.本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,現(xiàn)象直觀,學(xué)生在直觀感受中構(gòu)建概念,建立規(guī)律.

        圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M情境1

        如圖6所示,將小球A放在水平軌道末端,小球B從圓弧頂端靜止釋放,兩球相碰后水平拋出,讓學(xué)生繼續(xù)觀察并記錄兩球落點(diǎn)的位置.

        圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)M情境3

        當(dāng)用鋼球B與玻璃球A相碰時(shí),由于mAmB,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),B與A碰后,B反彈,沿水平軌道沖上圓弧,然后從圓弧軌道滑下,再?gòu)乃杰壍罀伋?,結(jié)果發(fā)現(xiàn)落地時(shí)兩球運(yùn)動(dòng)的水平距離sA>sB.繼續(xù)改變兩小球的質(zhì)量,當(dāng)mA?mB時(shí),B與A碰后,B仍然反彈,最終向右水平拋出,落地時(shí)兩球運(yùn)動(dòng)的水平距離sA

        3次對(duì)比實(shí)驗(yàn)情境制造認(rèn)知沖突,通過(guò)改變小球質(zhì)量進(jìn)行模型變式,考查學(xué)生的科學(xué)探究能力和推理論證能力.

        3.2.3 推理論證

        (1)物塊B下滑機(jī)械能守恒,由

        v0=2 m/s

        (2)根據(jù)碰撞的基本規(guī)律,可以判斷運(yùn)動(dòng)情況如下:若A與B同向運(yùn)動(dòng),碰撞后A的速度一定增大,且vA>vB;若反向運(yùn)動(dòng),碰后B的運(yùn)動(dòng)方向一定發(fā)生改變.B撞擊A后,A,B均會(huì)離開(kāi)軌道做平拋運(yùn)動(dòng),取水平向右為正方向,豎直方向

        若B沒(méi)有反彈,則

        vA>vB

        由動(dòng)量守恒定律,得

        mBv0=mBvB+mAvA

        水平方向

        s1=vBts2=vAt

        解得

        若B反彈,則

        mBv0=-mBvB+mAvA

        當(dāng)vA>|vB|時(shí),水平方向

        s1=vBts2=vAt

        解得

        當(dāng)vA<|vB|時(shí),水平方向

        s1=vAts2=vBt

        解得

        3.2.4 質(zhì)疑創(chuàng)新

        新課標(biāo)要求“能對(duì)已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑,采用不同方式分析解決物理問(wèn)題”[1],通過(guò)質(zhì)疑創(chuàng)新等思維,引領(lǐng)深度學(xué)習(xí).本實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生從視覺(jué)上感知碰撞后兩球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與質(zhì)量有關(guān),事實(shí)上,學(xué)生很難想到B反彈后會(huì)出現(xiàn)兩種不同的運(yùn)動(dòng)情況.碰撞分為彈性碰撞和非彈性碰撞,有學(xué)生存在疑惑:例題呈現(xiàn)的是哪種碰撞類型?3種情境是否滿足能量關(guān)系?

        下面對(duì)3種情境進(jìn)行討論.

        碰撞前的機(jī)械能為

        (1)若A,B同向運(yùn)動(dòng),且

        vA=1 m/svB=0.5 m/s

        碰撞后的機(jī)械能為

        代入相關(guān)數(shù)據(jù),得

        E1

        (2)若A與B反向運(yùn)動(dòng),且

        vA=1 m/svB=0.5 m/s

        碰撞后的機(jī)械能為

        代入相關(guān)數(shù)據(jù),得

        E2

        (3)若A與B反向運(yùn)動(dòng),且

        vA=0.5 m/svB=1 m/s

        碰撞后的機(jī)械能為

        代入相關(guān)數(shù)據(jù),得

        E3

        3種情境從理論上的計(jì)算結(jié)果,均驗(yàn)證

        針對(duì)第一種情境,可以進(jìn)一步提出質(zhì)疑,引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維:碰后原來(lái)在前的物塊A速度一定增大,是否一定滿足vA>vB?有沒(méi)有vA

        3.3 拓展遷移情境 發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維

        高考對(duì)碰撞模型的考查不僅局限于經(jīng)典模型的提取,還常常涉及到碰撞模型在不同領(lǐng)域的拓展,結(jié)合新穎的題目情境考查學(xué)生的創(chuàng)新能力[3].通過(guò)情境的轉(zhuǎn)化,引導(dǎo)學(xué)生用建立的模型解釋新的情境,最終實(shí)現(xiàn)模型的類比、遷移與應(yīng)用,發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維.

        圖7 拓展情境圖

        這是一力電情境綜合題,屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的雙棒問(wèn)題.該情境可視為一對(duì)安培力關(guān)聯(lián)的碰撞模型,ab棒相當(dāng)于上述例題情境中的物塊B,cd棒相當(dāng)于例題情境中的物塊A.拓展情境考查了電磁感應(yīng)與電路、磁場(chǎng)、力學(xué)等知識(shí)的綜合應(yīng)用,知識(shí)跨度大,能力要求高,適合考查學(xué)生的思維遷移和創(chuàng)新能力,有助于學(xué)生對(duì)碰撞模型形成全方位、多角度的系統(tǒng)認(rèn)識(shí).

        問(wèn)題1:若金屬導(dǎo)軌足夠長(zhǎng),則ab棒在進(jìn)入磁場(chǎng)后,兩棒在導(dǎo)軌上做什么運(yùn)動(dòng)?

        簡(jiǎn)析:進(jìn)入磁場(chǎng)后,ab棒做變減速運(yùn)動(dòng),cd棒做變加速運(yùn)動(dòng),穩(wěn)定時(shí),兩棒的加速度均為零,以相等的速度勻速運(yùn)動(dòng),兩棒運(yùn)動(dòng)的v-t圖像如圖8所示.

        圖8 速度-時(shí)間圖像

        問(wèn)題2:已知ab棒的質(zhì)量為2m,cd棒的質(zhì)量為m,最后兩棒都離開(kāi)導(dǎo)軌落到地面上,若落地點(diǎn)到桌面邊緣的水平距離之比為2∶1,則從cd棒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到離開(kāi)桌面過(guò)程中,流過(guò)cd棒的電荷量是多少?

        簡(jiǎn)析:棒ab到達(dá)圓弧底端時(shí),由動(dòng)能定理得

        如圖8所示,根據(jù)v-t圖像可知,離開(kāi)桌面時(shí)ab棒的速度大于cd棒的速度,即

        vab>vcd

        兩棒離開(kāi)導(dǎo)軌后做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等,水平位移

        x=vt

        可知

        vab∶vcd=x1∶x2=2∶1

        根據(jù)動(dòng)量守恒定律,可知

        2mv0=2mvab+mvcd

        對(duì)cd棒,由動(dòng)量定理得

        由于

        解得

        問(wèn)題3:兩棒在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱是多少?

        簡(jiǎn)析:根據(jù)問(wèn)題2可知

        根據(jù)能量守恒定律,兩棒在軌道上運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的焦耳熱為

        4 結(jié)束語(yǔ)

        在物理習(xí)題教學(xué)過(guò)程中,教師應(yīng)當(dāng)遵循教學(xué)依托情境的原則,通過(guò)創(chuàng)設(shè)合理的新問(wèn)題情境,引導(dǎo)學(xué)生在對(duì)物理問(wèn)題解決的過(guò)程中,經(jīng)歷從模型建構(gòu)意識(shí)的初步形成,到推理論證能力的鞏固深化,直至質(zhì)疑創(chuàng)新品質(zhì)的全面提升,學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了螺旋式提升,物理學(xué)科核心素養(yǎng)也在循序漸近中得到培養(yǎng).

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