物理教学中的“小问题与大文章”

汤巧根

(如东县岔河中学,江苏如东 226403)

物理是一门严谨的自然学科.对学生来说要学好它有一定的难度;对教师来说也是一门难教的学科.其中有些问题由于涉及到物理前沿或更高层次的知识而不能很好地解决.但有些“小”问题,教师必须深刻地把握,清楚地讲解,使学生有清醒的认识.在多年的物理教学和交流中,本人发现有些高中物理教师在不少基本问题上是糊涂的,例如概念含糊,物理规律关系错乱,物理符号混乱等等.这些现象可以叫做物理教学中的“乱象”.以下几个例子看似“小问题”,然而却有“大文章”可做.

1 还公式本来面目——时间与时刻、位移与位置

高中物理第1册第1章开始就讲解时间与时刻、位移与位置的概念,学生学得轻松,教师也讲解得轻松.但是如果问大家公式中的“t”指的是时间还是时刻.许多人一定会不假思索地回答是时间.

“t”果真是时间吗?还是回到时间和时刻的基本概念上来,时间是一个过程量,在t轴上对应一段线段;时刻是指时间上的一点,是个状态量,在t轴上对应一个点.

课本上是这样推导速度公式vt=v0+at的:一个物体在水平路面上t0时刻速度v0,开始做加速度为 a的匀加速直线运动,求运动到t时刻的速度vt.

速度图像的意义也深刻地反应了各个时刻的速度.从公式的推导到速度图像的意义,一切都表明 t是时刻,并不是时间.

课本上以及许多教师把“at”说成速度的变化量,实在是牵强.速度公式仅仅反映了速度与时刻的关系,其中“at”无任何物理意义.

在此要说明的是:在众多运动学题目中往往告知一个过程的时间或求解一个过程的时间,当规定了起点为零时刻时,时刻 t在形式上就等于该过程的时间(t-0).因此可以直接把时间代入公式中使用,但是数值上的相等并不是概念上的等同.正如单向直线运动的位移和路程相等,但两个概念并不等同.公式本来的物理含义是不容篡改的,更不能歪曲.

有些人也许会说不必斤斤计较,学生以后会理解的.既然不必斤斤计较,那么教材为何要讲解时间和时刻、位移和位置这些概念,并且大纲也要求学生掌握呢?其次,如果不把这些基本问题弄懂(即过程量和状态量的区别),学生在使用公式的时候会糊涂的,经常有学生出现的错误表达式.另外,从治学态度上也应该把这些问题搞懂.学习物理概念时,除了要掌握其物理意义、定义式、矢量还是标量、单位等外,还要明确属于状态量还是过程量.掌握状态量和过程量的本质特征,将有助于对物理问题中涉及的物体或系统进行状态分析和过程分析,有助于深刻理解物理规律和正确使用物理规律去解决具体问题.

另外,速度公式vt=v0+at中的a又是状态量还是过程量?胡克定律F=kx中x是状态量还是过程量呢?等等,都值得仔细揣摩.

2 还牛顿定律真相——对牛顿定律的理解

作为高度抽象和高度概括的牛顿第一、二定律在许多人的理解中被曲解了.

请看牛顿第一定律:一切物体总保持静止或匀速直线运动状态,直到外力迫使它改变这种状态为止.此定律阐明了:一切物体在不受任何力作用下的运动性质.

可是,考虑到在共点平衡力(即合力为零)作用下物体的运动状态同样不发生改变,另外,地球上的物体都不可避免受到力作用,于是,许多人就把定律中的“外力”解释为“合力”,这样解释合理吗?请看分析.

首先,“合力为零”可分为两种情况:一是不受任何力,合力自然为零;二是受若干个力,合力为零.由此可得出两个A、B真命题:

A:“物体不受力则物体运动状态一定不发生改变”;

B:“物体受若干个力但合力为零则物体运动状态一定不发生改变”.

由上述两个真命题可以推断命题C“物体受力则物体的运动状态一定改变”是假命题.

由于运动状态改变就一定存在加速度,因此可以进一步推定命题 D“力是产生加速度的原因”是假命题.显然,这是值得深思的问题.

其次,请看牛顿第二定律:物体的加速度跟物体的作用力成正比,跟物体的质量成反比.教材在探究此定律的实验中以单个水平拉力下的小车为研究对象,以小车的加速运动为研究过程,得出上述结论,表达式为 F=ma.在总结时强调指出:由于地球上的物体往往受多个力,因此力“F”是“合力”.

F果真是合力吗?

若F=0则a=0即物体处于静止或匀速直线运动状态,如果第一定律中的“外力”也是“合力”的话.则第一定律岂不变成了第二定律的一个特例,第一定律有何存在意义呢?

图1

从科学的基本规律和科学的演绎关系上分析:牛顿第一定律和第二定律中的“力”不是“合力”,应该是“力”.那么合力和加速度的关系如何呢?请看如图1,物体在两个共点力F1、F2(F1＞F2)作用下向右做加速运动,F1产生向右的加速度,F2产生向右的加速度.a1与a2的合成加速度(即合加速度a)就是通常所要求的加速度,推导过程如下.

由上述推导可知,当物体受到几个力的作用时,通常所说的加速度都是合加速度,合加速度是有几个力的合力产生的.“合力产生合加速度”可视为牛顿第二定律的一个推论,可以叫“推论1”.当这几个力的合力为零时,每个力依然产生各自的加速度,其合加速度为零,物体的宏观表现是运动状态不发生改变.所以把“共点力作用下物体的平衡条件是合力等于零”作为牛顿第二定律的另一个推论,可以叫“推论 2”.

综上所述,牛顿第一、二定律中的“力”应该就是“力”,不能说成“合力”,否则就会产生逻辑混乱,并且违背了定律的本意,是一种歪曲.因此,从尊重科学,培养学生探究精神的角度,在教材和教学中应充分体现上述推演过程,给学生清醒的认识.如果把由高度抽象的科学规律演绎出来的二级结论强加到基本规律上,甚至忘记了基本规律,仅仅强调和记住这些二级结论,这是一种急功近利的做法.

再如,什么是动能定理?教材上有一个探究实验,结论是力做功等于物体的动能变化.接着教材上总结时强调合力做功(或各个力做功总和)等于物体的动能变化,这就是动能定理.笔者认为这里又犯了“把由高度抽象的科学规律演绎出来的二级结论强加到基本规律上”的错误.真正的动能定理是“力做功等于物体的动能变化”.“合力做功等于物体的动能变化”是一种推论.

另外,什么是机械能守恒的条件呢?教材上说成是“在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能和势能可以相互转化,而总的机械能保持不变”.在许多资料上以及教师的课堂中,机械能守恒的条件被说得五花八门,让人一头雾水,给学生带来巨大的困难.什么“仅有重力或弹簧弹力做功,其他力不做功(或做功代数和为零)”;什么“在一个系统中,仅发生动能和势能的相互转化,无其他形式的能产生”等等,所有这些都是基本规律演绎出来的二级结论,然而却被一步到位地强加到基本规律上,人为增加了学生的学习困难,很不妥当.

3 还编者本来意图——谈产生感应电流的条件

一些教师在讲解“电磁感应现象”一节时往往得出这样的结论:产生感应电流的条件是电路闭合和回路中的磁通量发生变化,把它作为判断回路中是否产生感应电流的根据.笔者认为这种归纳和做法是错误的.请看下面两例.

例1.如图2所示,在圆形线圈的断开处接有电容 C,线圈处在按图示3变化的磁场中.

图3

图2

分析:根据法拉第电磁感应定律可知,在线圈内产生逐渐增强的感应电动势E,由此电容两极的电压也在逐渐增强,电容两端的电荷量在增多,于是,线圈内就有了感应电流.以上回路并不闭合却产生了感应电流.

图4

例2.如图 4所示,两根光滑的导轨竖直放置,导轨之间连接电容C,整个装置处在匀强磁场B中,有一金属棒紧贴导轨由静止开始下滑.

分析:根据牛顿第二定律可知金属棒做加速下滑,由法拉第电磁感应定律可知金属棒两端形成逐渐增强的感应电动势E,电容两极的电压逐渐变大,两极的电荷量也随之增多,从而回路中形成感应电流.以上回路并不闭合也产生了感应电流.

面对上述两例,有人会问:产生感应电流的条件到底是什么?还是来看看教材上是怎样说的.高中物理课程标准实验教科书选修3-2“探究产生感应电流的条件”中最后一自然段的阐述是:“只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路就有感应电流产生”.显然,这句话仅仅说明了产生感应电流的一种情况,即在闭合电路中磁通量发生变化.这种情况是产生感应电流的一个充分条件,而非必要条件.如果把教材中的阐述归纳成:产生感应电流的条件就是回路闭合和磁通量发生变化,并且把它作为判断回路中是否产生感应电流的根据.这就意味着把这个充分条件当成了充要条件,显然是错误的.

既然如此,就需要解决两个问题.

问题1.产生感应电流的条件到底是什么?首先必须明确,回路中若要有感应电流产生则回路中一定要有感应电动势,产生感应电动势的条件是穿过回路(不一定闭合)的磁通量发生变化.其次,有了电动势,回路中不一定就有电流,这要根据电路知识对回路进行分析后才可判断.

问题2.如何把握“探究产生感应电流的条件”这节内容的教学?笔者认为要紧贴教材,因材施教.考虑到这节内容是“电磁感应”一章的入门课,教师要做好课本上的3个演示实验,把“在闭合回路中有磁通量发生变化则产生感应电流”这一现象讲透,要重现象,少引申,并且完成好课后练习题即可.

高中物理教学中的“小问题”远不止上述一些例子.例如,物理量英文符号的书写很不规范,物理解题的规范问题等,这些忽视“小问题”的现象有历史原因;也有教师教学态度不够严谨的原因;更有教师急于求成的教学行为的原因.高中物理的教学应是严谨的.不管“高效课堂”对教师提出多高的要求;不管物理教学方法发生多大的变化,物理教师始终要深刻领会物理规律的内涵,吃透编者的意图,怀着对学生、对科学负责的态度,认真讲好高中物理中每一个概念和每一条规律.