注重科学思维培养提升学科核心素养

2020-09-14 12:23:19 中学理科园地 2020年4期

邓晓香 范成法

摘   要:科学思维培养是一个过程,实例分析需要进行繁简的比较,领悟科学思维的重要性;等效替代思维方法需要专题的培养,提升物理学科的核心素养;综合试题演练,将等效替代方法提高到一个更高的思维高度,巧妙解决物理难题。

关键词:科学思维;等效替代;核心素养

高三物理复习的过程,就是准确理解物理概念,娴熟地掌握并应用物理定理和物理定律,建立起物理知识的网络构架,通过知识间的融合建立起物理模型,更要培养物理学科严谨的科学思维方法。物理科学思维能力是高中物理核心能力之一,高中物理的思维方法有很多,其中,等效替代思维也是一种常用而典型能化繁为简的思维方法。高中物理中的等效代替有四种基本形式:模型等效、过程等效、作用等效及本质等效[ 1 ],但不论哪一种形式,在物理性质上效果相同,可以相互替代,这样就可以将一个繁杂的物理过程简单化,达到化难为易的目的。本文仅对在高三物理复习的教学过程运用等效替代思维方法谈点教学心得。科学思维方法培养是一个长期的过程,为领悟科学思维的重要性,实例分析需要繁简方法的比较;为更好地掌握、巩固、灵活应用等效替代的方法,需专题复习进行等效替代思维方法的培养,提升物理学科的核心素养;利用综合试题分析演练时,将等效替代方法提高到一个更高的思维高度,巧妙解决物理难题。

1  繁简比较  科学思维领悟很重要

为了能让学生更好地理解、领悟等效替代方法在高中物理解题中的重要作用,以及形成良好的等效替代的思维方法,除了要讲透思维方法外,还要通过实例进行繁杂的常规解题方法和简洁的等效替代方法的解题比较,让学生亲历、领悟养成良好的思维习惯是解决高中物理问题的关键。

在变压器定量计算的问题分析中,常见典型模型化问题如图1:电源输入电压U0不变,变压器的输入端连接一个定值电阻R1,则当滑动变阻器R的阻值(负载发生变化)为多少时,变压器的输出功率最大。因在变压器中的输入端与输出端的电流、电压和电功率相互制约,如果学生没有掌握分析问题的思维方法,此类问题将无从下手,为了更好地让学生领悟等效替代的思维方法,先进行常规数学方法计算。

运用数学方法、通过从电源往右看的电阻等效法、从负载往左看的电源等效法的分析,让学生较深入理解从等同效果出发,将其复杂过程转化为简单的、易于研究的方法,叫等效替代法,并且,明确等效替代前后间的物理量等效关系,也可作为二次结论加以应用。

2  专题复习  核心素养提高是关键

高中物理的核心素养分为物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任四部分[ 2 ],其中,科学思维是对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式,是对客观认识构建模型的抽象概括,进行分析综合、推理论证的过程,并且提出创造性见解的能力与品质。

复合场是物理高考的一个热点,也是一个能很好地考查综合分析能力的难点,通过多个由简单到较综合的复合场实例分析,能很好地培养等效替代思维方法,提高核心素养。

如图4,倾角为α的光滑斜面放置在水平向右的匀强电场E中,一质量为m的带电小球,以速度沿斜面匀速下滑。小球在斜面上运动一段时间后撤去斜面,求再经过t时间,带电小球通过的位移?

受力分析如图4,重力与电场力都是恒力,其合力是恒力,因小球做匀速运动可知小球的带电性质及带电量;当运动一段时间后,撤去斜面,小球受重力和电场力的作用,且是恒力,等效为小球只受一个恒力的作用,可以称为等效重力,因此,小球做类平抛运动,根据类平抛运动中合运动与分运动的等效性和独立性,可求其位移。

如图5,一长度为L的细绳上端固定,下端系一带电小球,将其置于水平向右的匀强电场中,场强大小为E。已知当细线偏离竖直位置的夹角为α时,小球处于平衡状态,如果使细线的偏转角由α增大到β,然后将小球由静止开始释放,则:(1 )β应为多大才能使在细线到达竖直位置时小球的速度恰好为零?(2 )若α<50,那么(1)问中带电小球由静止释放至到达竖直位置需要多少时间?

分析引导,受力分析,当夹角为α时小球处于平衡状态,即为机械振动中的平衡位置,重力与电场力合力是一个恒力,等效为重力,因此,图中的N与M是机械振动的等效两个端点,故当β=2α时,小球达到N点时速度恰好为零。当α<50时,满足简谐运动的条件,其时间即为简谐运动的半个周期,其等效重力加速度为g'=,可得t==2π=2π。

在如图6,光滑绝缘的圆形轨道竖直放置在场强大小为E,方向水平向右的电场中,圆的半径为R,在其最低点给A处放置一个质量为m的电荷量为q的带正电小球,现给m一个水平方向的初速度,使小球恰好能做完整的圆周运动,求初速度的最小值及小球受到的最大支持力。

同样引导分析可知,其重力与电场力是一个恒力,为等效为重力,如图中的B点为等效最低点,C点为等效最高点,要恰好完成完整的圓周运动,等效最高点要有最小速度vmin=。

在复合场中,用等效替代的思维将复合场转为等效重力场,将恒定合力转为为等效重力及等效重力加速度,可以将复杂的复合场问题转化为简单的(等效)重力场问题。通过专题实例分析渗透等效替代的思维,提高了学生综合分析解决物理问题的能力,专题复习的过程是一个能很好地提升学生核心能力的过程。

3  思维提升 巧妙解答难题有突破

通过系统化的复习,建立起了等效替代的思维方法,但要熟练地掌握并应用等效替代的方法解决物理问题,甚至是物理难题,还要有综合性的物理试题演练,将物理思维提升到一个更高的层次,就能巧妙地解答物理难题。

如图7,xoy平面有磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向外;同时,在xoy平面内有一个沿 y轴正方向的匀强电场,场强大小为E;点P(L,0)处有一粒子源,可向各个方向发射速率不同,电荷量为q、质量为m的带负电粒子;现假如粒子是以速率v沿y轴正向发射,求在粒子运动过程中其最小速率vmin。(不考虑粒子的重力)

这一题是某次质检的综合题,此处略去第(1)、(2)问中的常规思维题,分析一下第(3)问中的思维提升问题,带电粒子在正交的匀强电场和匀强磁场中运动,因所受洛伦兹力与电场力不平衡,。电场力恒定,而伦兹力大小方向都在发生变化,则合力的大小和方向都在发生变化,粒子在其中做的是复杂的曲线运动。

思维提升引导:利用合运动与分运动的等效替代性,如果将带电粒子的初速度v进行等效的分解,即将带电粒子的运动等效为沿某一方向的匀速运动和沿某一时针方向的匀速圆周运动的合运动,则两分速度的方向相反时,合速度达到最小。即将v分解为水平向右的分速度v1,且满足qv1B=qE,则带电粒子就在水平向右方向做匀速直线运动,速度大小为v1=而另一个分速度v2=如图7,即另一个分运动是以v2为线速度的匀速圆周运动,当匀速圆周运动的线速度v2向左时,其合速度最小即vmin=v2-v1。

巧妙在速度分解为水平向右的分速度v1。使得电场力与洛仑兹力的一个分力平衡, 洛仑兹力的另一个分力提供匀速圆周运动的向心力。将这一运动等效为水平方向的匀速运动与v2的匀速圆周运动,解决复杂的曲线运动问题等效为两个常见分运动的简单问题。

总之,通过实例引导分析等效替代思维方法的复习教学,让学生清晰认识到,利用等效替代的思想可将复杂的实际问题变换为简单的模型,抓住问题的本质,以少代多,以简代繁,以定代变,实现以易取难,达到更好地解决物理问题的目的。进一步让学生理解和领悟这种思想,并将其推广应用到高三物理复习的其它思维方法中,提高物理学科的核心素养。

参考文献:

[1]蔡益浩.用等效替代法培养学生创新思维[J].实验教学研究, 2008(4):25-26.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].济南:山东科学技术出版社,2017.