让物理场景在思维的“高速摄影机”下重演①

(江苏省海门市海南中学,江苏 南通 226100)

①本文系江苏省教育科学“十三五”规划立项课题“初中课堂学程生态化建设研究”(编号:E-c/2016/19)和南通市教育科学“十三五”规划立项课题“基于物理科技制作的STEM课程开发研究”(编号：GH2018083)的阶段性研究成果。

在物理学习中培养学生的观察能力是提高学生核心素养的一个重要方面,通常我们认为观察能力的培养需要在实验中进行,只有仔细观察实验现象,才能取得有效的甚至是突破性的发现，例如阿基米德原理、电磁感应定律等的发现就充分说明观察能力、判断能力的重要性。有时科学家一个偶然的发现，例如奥斯特的磁生电实验、伦琴发现X射线的实验等，甚至能改变物理学的进程。

观察能力可以体现在实践操作中,其实也可以体现在数据处理和理论分析上，对于学生来说,在一些物理问题的分析解答中,我们也可以逐步培养学生的观察能力。如在做功及物体能量变化等问题中,条件往往比较隐蔽,不易发觉,可以明显地判别学生的观察能力的强弱。

1 聚焦研究对象，克服惯性思维

例1:小明用300N的力把一个质量为2kg的铅球推到8m远的地方,他在推铅球时做的功最接近于( )。

A. 16J B. 300J

C. 2400J D. 条件不足，无法确定

解析：解答中学生普遍出现的错误是选C选项,理由是根据公式W=Fs可知,推力为300N,距离为8m,计算后得到2400J。此处学生的错误就在于没有仔细考虑铅球在力的方向上通过的距离,而是想当然地认为该距离就是8m。在分析时,教师可引导学生重点关注“在推铅球时”这几个字,引导学生用“慢镜头”回放的方式在脑海中展示这个动作,通过这样的场景回放,学生立即发现了错误的原因,原来是把铅球运动的距离当成了手推铅球的距离,但手推铅球到底运动了多远,题目中没有给出条件,因此D选项正确。

2 “慢镜头”下展过程，微变化中找错因

例2(2018年淄博):如图1所示,弯曲的跳板把人弹至高处,这个过程中人的动能和重力势能的变化情况是( )。

图1

A. 动能减小,重力势能增大

B. 动能增大,重力势能减小

C. 动能先增大后减小,重力势能增大

D. 动能先减小后增大,重力势能减小

解析：学生往往会不加思索地选A选项,粗看起来似乎也有道理。但是如果能静下心,用“慢镜头”来仔细分析一下跳板把人弹起来的过程就会发现A选项遗漏了一个过程。题目中条件是“弯曲”的跳板把人弹起来,那么“弯曲”的跳板在伸直的过程中就有一个弹性势能转化为动能的过程,此时人的动能应该是增加的,此后在继续上升的过程中会减小。很显然,选A选项的同学就忽视了这样一个变化,从而导致得出错误的结论，由分析可知选项C才是正确的。

这种变化的过程在教学中不一定都能找到录像进行回放,但是我们完全可以借助思维的“高速摄影机”来“观察”物理现象的变化过程,培养学生严谨的学习态度。

3 让场景在思维的“高速摄像机”下重演

例3(2018年无锡):如图2所示,弹簧的左端固定,右端连接一个小球,把它们套在光滑的水平杆上,a是压缩弹簧后小球静止释放的位置,b是弹簧原长时小球的位置,c是小球到达最右端的位置。则小球从a运动到c的过程中,在(选填“a”“b”或“c”)位置机械能最大；从b到c的过程中,小球的动能转化为弹簧的。

图2

解析：本题中我们需要对小球从a运动到c的过程进行分解,将整个运动场景在思维的“摄影机”下重演。由于b是弹簧的原长位置,在从a运动到b的过程中，弹簧一直对小球有向右的弹力,但是弹力在不断变小,直到小球到达b点时弹力为0。通过“慢镜头”的“回放”立即发现：此处是学生易发生错误的地方,学生通常认为：弹力变小时速度也会变小。为了帮助学生理解,我们可以与日常生活中的示例进行类比,某商店营业额从周一到周五分别是2000元、1000元……依次减少,那么本周商店的营业总额是增加还是减小?同样,在小球由a位置运动到b位置的过程中,由于水平杆是光滑的,只要受弹力作用,它的速度就会不断增加,直到弹力为0，所以小球在b位置的动能最大。过了b点以后,小球由于惯性,仍然向前运动,弹簧被小球拉长,此时弹簧对小球的拉力阻碍了小球的运动,速度逐渐减小,因此小球的动能转化为弹簧的弹性势能。

在此场景中,小球的加速、减速都是在一个极短的瞬间完成的,此时教师要引导学生借助思维中的“摄像机”,将之调节到“慢镜头”的状态下来进行分析,才能得出正确的结论。

4 受力分析——思维“摄影机”下的“手术刀”

例4:如图3所示,弹簧左端固定于竖直墙壁,右端与物块M连接,置于粗糙水平面上,当M位于O点时弹簧恰好不发生形变。现将物块M拉至A处由静止释放,M向左最远可运动至B点。则物块( )。

图3

A. 从A到O一直加速运动

B. 从A到O先加速后减速

C. 从O到B先加速后减速

D. 从O到B先匀速后减速

解析：我们仍借助于思维的“慢镜头”来重演物体的运动场景，解答本题时学生会误选A选项,他们认为：弹簧把M拉过来肯定是在不断加速。学生发生错误的原因其实就是没有建立正确的运动场景,忽视了物体运动过程的“微变化”。如果我们把这个过程放慢,利用“慢镜头”来分析物体从A到O的运动过程,会发现：由于地面是粗糙的,物体M在向左运动的过程中受到了两个力,一个是弹簧对它向左的拉力,另一个是地面对它向右的摩擦力,一开始由于拉力大于摩擦力,所以物体M向左做加速运动,但是到了O点以后,弹簧已经恢复到了原长,拉力已经减为0,由于M与地面间的滑动摩擦力不变,在物块运动到O点之前就开始减速了,由此可知,B才是正确的选项。而从O点继续向左运动的过程中,由于弹簧对M的弹力以及摩擦力的方向都向右,所以M应是做减速运动。

由上述示例分析可知：帮助学生在脑海中把物体的运动场景用“慢镜头”播放,可以创设出良好的思维情境,在脑海中形成的“慢镜头”下,借助于思维“摄影机”下的“手术刀”——受力分析,画出物体在水平方向受到的力,根据受力的大小及方向的变化即可得出正确的结论。

5 让观察力在思维的“慢镜头”下起飞

例5:如图4所示,质量不计的弹簧竖直固定在水平面上,在t=0时刻,将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放,小球接触弹簧并将弹簧压缩至最低点(形变在弹性限度内),然后又被弹起离开弹簧,上升到一定高度后又下落,如此反复。通过安装在弹簧下端的压力传感器,显示出该过程中弹簧弹力F随时间t的变化(如图5)，不计空气阻力。

图4 图5

(1) 在整个运动过程中,小球的机械能(填“守恒”或“不守恒”)；

(2) 小球动能最小的时刻是(填t1、t2或t3)；

(3) 在t2～t3这段时间内,小球的动能(填“先增大后减小”“先减小后增大”“一直增大”或“一直减小”)。

解析：本题是一道考查学生观察力的典型例题,有一定的难度,但是如果我们掌握了在思维的“慢镜头”下观察物体运动的方法,问题就能迎刃而解。

(1) 由于小球和弹簧之间存在着能量转换关系,小球的机械能是不守恒的。

(2) 小球动能最小的时刻应该是其压缩弹簧最厉害的时候,此时动能全部转化为弹簧的弹性势能,弹力应是最大,结合F-t图像可知是t2时刻。

(3) 需要将此过程用“慢镜头”放大,结合物体受力分析,来考察它的运动过程。因为在t2时刻物体受到弹簧的弹力最大,此后物体将由静到动,原因还是由于弹力大于小球的重力,所以小球将会向上加速运动；在小球上升过程中,弹簧在逐渐恢复原长,弹力逐渐减小,直到与重力大小相等,将不再加速。之后,因为弹力小于重力,所以小球向上做减速运动。在此过程中，小球的动能应是先增大后减小。通过教师的引导，将物理情景可视化，可以使学生的观察能力在思维的“慢镜头”下得到有效提升。

6 结语

学生物理核心素养的提高不是一朝一夕就能做到的,它的形成贯穿于物理学习的整个过程中。在新授课的实验观察中固然需要严谨仔细,在复习巩固课中的学生思维训练也是非常重要的。在平常的教学中,教师应注重对学生思维能力的培养、科学学习方法的指导。关注物理变化的“微过程”,用“慢镜头”重演物体的运动变化过程是打通学生思维的一个桥梁,让我们的教学中多一些这样的“微过程”“慢镜头”,让观察力在思维的“慢镜头”下起飞,真正提高学生的物理核心素养。