楊正宇

(成都市石室中學(xué) 四川 成都 610052)

王良翼

(成都市樹德中學(xué) 四川 成都 610031)

佐 睿

(成都市錦江區(qū)嘉祥外國語高級中學(xué) 四川 成都 610011)

張 燕 陳澤勇

(成都市石室中學(xué) 四川 成都 610052)

根據(jù)教育部2020年頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》,物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面.其中,“科學(xué)思維”是指從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式;是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判,進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格[1].高中物理課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng),而科學(xué)思維是培養(yǎng)核心素養(yǎng)當(dāng)中重要的、本質(zhì)的方面.培根曾言“知識就是力量”,筆者認(rèn)為應(yīng)該修改為“思維就是力量”.學(xué)生是以對知識的學(xué)習(xí)為載體,最終是為了達(dá)到培養(yǎng)和提升科學(xué)思維的目的.學(xué)生只有具備了良好的科學(xué)思維,才能解決遇到的各種問題,才能創(chuàng)造新的理論,推動人類的進(jìn)步和發(fā)展.

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動普遍規(guī)律和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的科學(xué).物理學(xué)的發(fā)展以及物理學(xué)自身的研究特點(diǎn)決定了它是一門以實(shí)驗(yàn)科學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科,即強(qiáng)調(diào)觀察,強(qiáng)調(diào)研究事物本質(zhì)和規(guī)律的實(shí)踐活動[2].物理實(shí)驗(yàn)可以純化、簡化或強(qiáng)化和再現(xiàn)物理學(xué)研究對象,延緩和加速自然過程,為理論的概括準(zhǔn)備充分、可靠的客觀依據(jù)[2].中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中極為重要的一部分,只有利用科學(xué)思維方法充分研究物理實(shí)驗(yàn),才有利于中學(xué)生深入理解物理概念和規(guī)律,才有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)思維.

本文以筆者一節(jié)公開課“電磁阻尼 電磁驅(qū)動”為例,通過研究兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)和磁懸浮列車啟動和剎車的實(shí)際問題,引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和解決實(shí)際問題,從模型建構(gòu)、分析綜合兩方面談?wù)勅绾闻囵B(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維.

1 學(xué)情分析

在學(xué)習(xí)電磁阻尼和電磁驅(qū)動內(nèi)容之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象、法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律,能從力學(xué)角度和能量角度分析電磁感應(yīng)問題.電磁阻尼和電磁驅(qū)動是電磁感應(yīng)知識應(yīng)用于生活生產(chǎn)實(shí)際的體現(xiàn),需要學(xué)生利用學(xué)過的知識研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和解決實(shí)際問題.學(xué)生第一個(gè)難點(diǎn)在于如何將實(shí)際問題抽象成熟悉的理想模型,如何抓住主要因素,忽略次要因素;第二個(gè)難點(diǎn)在于模型建立后學(xué)生能否自覺地從多角度深入研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,強(qiáng)化對物理概念和規(guī)律的理解,綜合建立知識之間的聯(lián)系,形成方法的框架,從而達(dá)到真正訓(xùn)練科學(xué)思維的目的.

2 課例環(huán)節(jié)介紹

2.1 環(huán)節(jié)一——觀察演示實(shí)驗(yàn)并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

演示實(shí)驗(yàn)一：如圖1所示,將同一小磁鐵先后從高度相同的開縫鋁管和無縫鋁管上端靜止釋放.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是小磁鐵在無縫鋁管里下落時(shí)間明顯長于在開縫鋁管里的下落時(shí)間.請利用所學(xué)過的知識解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

圖1 無縫鋁管和開縫鋁管

演示實(shí)驗(yàn)二：如圖2所示,磁鐵驅(qū)動細(xì)線懸掛的可口可樂鋁制易拉罐,使其旋轉(zhuǎn).將磁鐵正對靜止懸掛的易拉罐,讓磁鐵向右邊不停地快速移動,會發(fā)現(xiàn)易拉罐逆時(shí)針(俯視)旋轉(zhuǎn)起來;再向左邊不停地快速移動磁鐵,會發(fā)現(xiàn)原來逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的易拉罐先減速轉(zhuǎn)動,然后再反向加速轉(zhuǎn)動.請利用所學(xué)過的知識解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

2.2 環(huán)節(jié)二——學(xué)以致用 嘗試解決磁懸浮列車運(yùn)行的實(shí)際問題

播放磁懸浮列車運(yùn)行視頻,思考和討論如何使列車加速和減速,并以磁懸浮列車運(yùn)行為背景,編制一道習(xí)題如下,定性和定量分析列車啟動和剎車過程.

【例題】磁懸浮列車是利用磁體間的抗磁作用使列車車體向上浮起,同時(shí)通過周期性地變換磁極方向而獲得推進(jìn)動力的新型交通工具.其推進(jìn)原理可以簡化為如圖3所示的模型:在水平面上相距l(xiāng)的兩根平行直導(dǎo)軌間,有豎直方向等距離分布的勻強(qiáng)磁場B1和B2,且B1=B2=B,每個(gè)磁場的寬都是l,相間排列,所有這些磁場都以速度v向右勻速運(yùn)動.這時(shí)跨在兩導(dǎo)軌間的長為l、寬也為l的金屬框abcd(懸浮在導(dǎo)軌上方)在磁場力作用下向右運(yùn)動.已知金屬框質(zhì)量為m,總電阻為R.

圖3 磁懸浮模型

(1)設(shè)金屬框在運(yùn)動過程中受到方向向左,大小恒為f的阻力,求金屬框從圖3所示位置由靜止開始啟動瞬間的電流方向、加速度以及后續(xù)過程中能達(dá)到的最大速度;

(2)若某時(shí)刻金屬框處在如圖4所示的無磁場區(qū)域以速度v0向右勻速運(yùn)動,在金屬框前方有兩個(gè)寬度都為l但間距大于l的固定正方形磁場區(qū)域,磁感應(yīng)強(qiáng)度都為B,求要讓金屬框停下來需要多少個(gè)這樣的磁場(不計(jì)阻力f).

圖4 磁懸浮制動模型

3 研究物理實(shí)驗(yàn) 培養(yǎng)科學(xué)思維

科學(xué)思維方法包括比較、分類、抽象(理想化模型)、概括、分析、綜合、歸納、演繹等[3].本課例通過引導(dǎo)學(xué)生研究物理實(shí)驗(yàn),從抽象(建構(gòu)理想化物理模型)、分析與綜合兩方面談?wù)勅绾闻囵B(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維.

3.1 培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型的科學(xué)思維

在物理學(xué)中,典型的科學(xué)抽象方法就是理想化模型法.模型可以分為實(shí)體模型、條件模型和過程模型[3].實(shí)體模型是物體本身經(jīng)過科學(xué)抽象成為理想研究對象,如力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn),電磁學(xué)中的點(diǎn)電荷等;條件模型就是把物理?xiàng)l件理想化,忽略次要因素,抓主要因素,如光滑、輕質(zhì)等;過程模型就是理想過程,將物體運(yùn)動過程理想化,如勻速直線運(yùn)動、簡諧運(yùn)動等[3].

在本課例環(huán)節(jié)一中,對于演示實(shí)驗(yàn)一的解釋,可以先讓學(xué)生獨(dú)立思考,再小組討論,生生交流.學(xué)生根據(jù)磁鐵在無縫鋁管里下落時(shí)間明顯長于開縫鋁管里下落時(shí)間的現(xiàn)象,可以得出這是由于磁鐵受到向上安培力的原因,說明無縫鋁管內(nèi)部產(chǎn)生了感應(yīng)電流,為什么會產(chǎn)生感應(yīng)電流呢?此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生將鋁管微元分割成一圈圈的鋁環(huán),當(dāng)磁鐵穿過鋁管時(shí)引起鋁環(huán)磁通量變化,根據(jù)楞次定律,所以鋁環(huán)產(chǎn)生了感應(yīng)電流,感應(yīng)電流對磁鐵施加了阻礙其下落的安培力,所以下落時(shí)間明顯變長,即電磁阻尼.對此演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象成功解釋的關(guān)鍵在于將長直鋁管微元成學(xué)生熟悉的圓環(huán)模型,在此過程中,教師引導(dǎo)學(xué)生體會將實(shí)際物體通過模型建構(gòu),轉(zhuǎn)化成理想化模型的方法.

對于演示實(shí)驗(yàn)二,用磁鐵驅(qū)動細(xì)線懸掛的可口可樂鋁制易拉罐旋轉(zhuǎn),在成功解釋演示實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上,教師引導(dǎo)學(xué)生大膽構(gòu)建自己熟悉的理想化模型來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.學(xué)生經(jīng)過相互討論,相互啟發(fā)后,總結(jié)出有兩種模型建構(gòu)方式.

第一種,根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)一將鋁管構(gòu)建成鋁環(huán)的經(jīng)驗(yàn),學(xué)生將易拉罐正對磁鐵的一面看成一閉合回路abcd,如圖5所示.由于磁鐵向右移動導(dǎo)致該回路磁通量減小,從而在易拉罐里形成順時(shí)針的感應(yīng)電流(渦流),再根據(jù)左手定則分別對4條邊受力分析,由于對稱性ab邊和cd邊受到安培力等大反向,而bc邊和ad邊所受安培力方向相反但大小不等,由于bc邊磁場更強(qiáng),所以Fbc>Fad,從而讓易拉罐逆時(shí)針轉(zhuǎn)動起來.

圖5 鋁環(huán)模型

第二種,將易拉罐正對磁鐵一面微元成很多條形金屬條,選其中一條ab作為研究對象,由于磁鐵向右移動,等價(jià)為磁場不動,ab金屬條向左切割,根據(jù)右手定則,將形成由a到b的感應(yīng)電流,再根據(jù)左手定則,金屬條ab將受到向右的安培力,在此安培力驅(qū)動下,原來靜止的易拉罐將逆時(shí)針(俯視)轉(zhuǎn)動起來,即電磁驅(qū)動現(xiàn)象,如圖6所示.

圖6 鋁條模型

有了環(huán)節(jié)一中建構(gòu)模型的經(jīng)驗(yàn),環(huán)節(jié)二中,在討論如何讓磁懸浮列車啟動和剎車的實(shí)際問題時(shí),絕大部分學(xué)生能將列車?yán)硐虢?gòu)成懸浮在導(dǎo)軌上的金屬框模型.

對于兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)和磁懸浮列車的實(shí)際問題,構(gòu)建的理想化模型都屬于實(shí)體模型.教師引導(dǎo)學(xué)生忽略長直鋁管、易拉罐和磁懸浮列車具體形狀、大小等次要因素,抽象出其主要因素,建構(gòu)出熟悉的模型,從而成功地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和解決了實(shí)際問題.學(xué)生經(jīng)歷這樣一個(gè)忽略次要矛盾,抓主要矛盾的理想模型建構(gòu)過程,無疑對其科學(xué)思維的培養(yǎng)是大有裨益的.

3.2 培養(yǎng)學(xué)生分析與綜合的科學(xué)思維

3.2.1 分析

分析就是科學(xué)思維過程把對象的整體分解為各個(gè)部分、要素、環(huán)節(jié)、階段并加以考查的方法[3].物理學(xué)中的分析主要有以下情形.

情形一：分析物理研究對象在空間分布中的各個(gè)組成部分[3].如力學(xué)中受力分析的隔離法,就是將研究對象在空間上進(jìn)行分割,然后把分割好的各個(gè)部分從整體中隔離出來分析.比如演示實(shí)驗(yàn)一和二,均用到了微元分割法,將長直鋁管分割成一圈圈的圓環(huán)和將易拉罐面對磁鐵的一面分割成金屬條或看成一閉合線框.

情形二：分析物理研究對象在時(shí)間發(fā)展中的各個(gè)組成階段[3].比如對于多過程問題,我們將研究對象所處的各個(gè)過程分開研究.

情形三：分析研究對象的各種因素、方面和屬性[3].比如,我們可以對同一個(gè)研究對象從牛頓運(yùn)動定律、做功與能量轉(zhuǎn)化和沖量與動量變化3個(gè)方面分析.

對于演示實(shí)驗(yàn)一和二,當(dāng)學(xué)生從力學(xué)角度分析了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后,也可以引導(dǎo)學(xué)生從做功和能量轉(zhuǎn)化與守恒角度分析.磁鐵在鋁管下落過程中減小的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁鐵本身的動能和鋁管內(nèi)部渦流產(chǎn)生的焦耳熱,這部分焦耳熱的大小等于磁鐵下落過程中克服安培力做的功;對于磁鐵驅(qū)動易拉罐轉(zhuǎn)動的實(shí)驗(yàn)中,易拉罐增加的動能來源于磁鐵減少的機(jī)械能,但易拉罐增加的動能是否等于磁鐵減少的機(jī)械能呢?顯然不是,易拉罐在轉(zhuǎn)動過程中罐體還有感應(yīng)電流,還會產(chǎn)生焦耳熱,根據(jù)能量守恒定律,磁鐵減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成易拉罐的動能和焦耳熱.

又比如環(huán)節(jié)二中以磁懸浮列車為背景的例題,第一問是從牛頓運(yùn)動定律角度分析列車受力情況,產(chǎn)生的加速度以及能獲得的最大速度,著重從力學(xué)角度分析列車的啟動過程;第二問,我們可以從動量定理角度分析,要求需要多少塊這樣的磁場區(qū)域,列車才能停下來.由于列車每經(jīng)過一個(gè)磁場區(qū)域,動量的減少量都相同,所以用初始動量除以穿過每一區(qū)域減少的動量,就可以算出需要多少塊磁場區(qū)域.

整個(gè)課例,既需要學(xué)生從研究對象的整體隔離角度分析,又要求從規(guī)律的3個(gè)方面(力學(xué)、能量與動量)進(jìn)行分析,可以促進(jìn)學(xué)生形成從多個(gè)角度看待問題的物理觀念,同時(shí)也可以促進(jìn)學(xué)生分析的科學(xué)思維能力的提高.

3.2.2 綜合

所謂綜合,就是把研究對象的各個(gè)部分、方面和因素聯(lián)合起來研究,從而在整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)思維方法[3].比如受力分析中對研究對象使用的整體法,多過程問題我們研究全過程等.綜合方法在物理中有重要作用,當(dāng)分析成果積累到一定程度后,用統(tǒng)一的思想把分散的事實(shí)、理論聯(lián)系綜合起來,就會發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律,形成新的理論,使認(rèn)識上升到更高層面[3].牛頓曾說:“我之所以看的遠(yuǎn),那是因?yàn)槲艺驹诰奕思绨蛏稀?牛頓綜合伽利略、開普勒、胡克等人的觀點(diǎn),把當(dāng)時(shí)認(rèn)為毫無聯(lián)系的天體運(yùn)動和地面運(yùn)動聯(lián)系在一起,得出了牛頓三大定律和萬有引力定律,完成了物理學(xué)史上第一次大綜合.

在本課例中,演示實(shí)驗(yàn)一中電磁阻尼是通過安培力來實(shí)現(xiàn)的,而在演示實(shí)驗(yàn)二中電磁驅(qū)動也是通過安培力來實(shí)現(xiàn)的,此時(shí),可以讓學(xué)生思考:安培力時(shí)而充當(dāng)動力時(shí)而充當(dāng)阻力,怎么樣統(tǒng)一安培力的作用?讓學(xué)生充分思考后再生生交流,引導(dǎo)學(xué)生對比聯(lián)系“摩擦力既可以充當(dāng)動力也可以充當(dāng)阻力,而摩擦力一定阻礙相對運(yùn)動”的事實(shí)綜合分析兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn),得出安培力也是在阻礙磁鐵和鋁管以及磁鐵和易拉罐之間的相對運(yùn)動的結(jié)論.

綜合分析到這里,出現(xiàn)了“阻礙”這一關(guān)鍵詞,再次引導(dǎo)學(xué)生綜合對比這里的“阻礙”和楞次定律“感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流磁通量的變化”里面的“阻礙”,這兩個(gè)“阻礙”有什么聯(lián)系?學(xué)生經(jīng)過綜合分析后得出:感應(yīng)電流阻礙磁通量的變化實(shí)際上就是通過安培力阻礙兩物體的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的;從能量角度講,兩個(gè)“阻礙”都可以統(tǒng)一為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象當(dāng)中的體現(xiàn).

在環(huán)節(jié)二中,以磁懸浮列車為背景的例題的第二問,如何才能得到金屬框進(jìn)入或者穿出每一個(gè)磁場區(qū)域時(shí),其速度變化量相同的結(jié)論,也是需要綜合分析的.首先,學(xué)生知道金屬框進(jìn)入或者穿出每一個(gè)磁場區(qū)域其磁通變化量都相同,引導(dǎo)學(xué)生將磁通變化量ΔΦ和電荷量q聯(lián)系在一起,根據(jù)電荷量公式

(1)

所以金屬框每經(jīng)過一個(gè)磁場區(qū)域,流經(jīng)它的電荷量q相同.對于金屬框僅在安培力作用下減速運(yùn)動過程,再引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系動量定理,安培力的沖量等于金屬框動量的變化量,即

-BILt=-BqL=mΔv

(2)

引導(dǎo)學(xué)生綜合對比這(1)、(2)兩個(gè)式子,可以發(fā)現(xiàn):金屬框經(jīng)過磁場區(qū)域的磁通變化量ΔΦ與速度變化量Δv通過電荷量q聯(lián)系在一起,即

(3)

在磁通變化量ΔΦ相同的情況下,金屬框速度變化量Δv也是相同的.所以我們可以用金屬框初始動量除以穿過每一區(qū)域減少的動量,就可以算出需要多少塊磁場區(qū)域才可以讓金屬框停下來.

進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生變形式(3),可以得到

(4)

其中,x代表列車進(jìn)入或穿出磁場的位移.根據(jù)式(4),金屬框僅在安培力作用下的減速過程,速度關(guān)于位移是線性關(guān)系,可以作出v-x圖像如圖7所示.

圖7 v-x圖

在演示實(shí)驗(yàn)一和二中,學(xué)生經(jīng)過綜合分析,得出了一對相互作用的安培力阻礙相對運(yùn)動的結(jié)論,并和楞次定律一起統(tǒng)一為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的體現(xiàn);在磁懸浮列車的實(shí)際問題中,學(xué)生經(jīng)過綜合分析,發(fā)現(xiàn)了以電荷量q為橋梁,可以將金屬框通過磁場區(qū)域的位移x和速度變化量Δv聯(lián)系在一起,即金屬框僅在安培力作用下的減速過程,其速度v對于位移x是均勻變化的的結(jié)論.

綜上所述,只要引導(dǎo)學(xué)生把影響研究對象的各因素和各個(gè)方面聯(lián)系起來,進(jìn)行對比和綜合,學(xué)生就會有新的發(fā)現(xiàn),新的認(rèn)知.分析與綜合兩種科學(xué)思維方法在應(yīng)用中是一個(gè)整體,不能把兩者割裂開來,分析是綜合的基礎(chǔ),沒有分析,談何綜合.綜合是分析的后續(xù),同時(shí)也是分析的前提,綜合是為了更好的分析,對分析有指導(dǎo)和促進(jìn)作用.教師在實(shí)際教學(xué)過程中,只要不斷地引導(dǎo)學(xué)生分析—綜合—再分析—再綜合,就能有效地訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

4 結(jié)束語

“壇壇罐罐當(dāng)儀器,拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”是著名物理教育家朱正元教授所提倡的,他從20世紀(jì)四五十年代開始,從事大學(xué)基礎(chǔ)物理、物理實(shí)驗(yàn)和中學(xué)物理教學(xué),為祖國培養(yǎng)大批物理人才.這種精神今天依然應(yīng)該發(fā)揚(yáng)光大.

物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科,所以在物理教學(xué)過程中,應(yīng)該高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué),不僅要求教師做演示實(shí)驗(yàn),還要求學(xué)生親自參與到實(shí)驗(yàn)中來,利用身邊的物品,制作一些簡易的實(shí)驗(yàn)器材,親自做實(shí)驗(yàn),利用科學(xué)思維方法研究實(shí)驗(yàn),讓科學(xué)思維的培養(yǎng)貫穿于實(shí)驗(yàn)的全過程,從而讓學(xué)生逐步形成真正的科學(xué)思維.