“情景转换”在物理教学中的应用案例

刘玉明

【摘要】解决物理问题有很多方法，诸如模型法、分析法、数学法、实验法等，然而，根据物理事件建立相应的物理情景，这对分析问题解决问题、尤其是在寻求破题方法时起着至关重要的作用。“情景转换”就是把学生难以想象的复杂事件，用一简单而又恰当的其他情景代换，从而降低问题的难度、解除学生的困惑、提高教学的效益。

【关键词】探究教学法 情景转换法 控制变量法

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）24-0098-02

案例一：

目标要求：通过情景转换使学生建立清晰的在不同电压下电子通过两极板时的运动情形，找到计算“有电子从极板的右端射出的时间与没有电子从极板的右端射出的时间”的方法。

问题难点：射入的电子是连续不断的与两极板间加的电压是交变电压。

教学措施：采用探究教学法与情景转换法相结合。

问题1：

在真空中有水平放置的两个平行、正对的金属平板，板长为L，两板间距离为d，在两极板间加一交变电压u=Um sinωt。现有质量为m、电荷量为e的电子以速度ν（ν接近光速1/20）从两极板左端中点沿水平方向连续不断地射入两平行板之间。若电子经过两极板的时间相比交变电流的周期可忽略不计，不考虑电子间的相互作用和相对论效应。则：[ ]

教学过程：

教师：我们先看这样一个问题2：“在真空中有水平放置的两个平行、正对的金属平板，板长为L，两板间距离为d，在两极板间加一电压U.现有一个质量为m、电荷量为e的电子以速度ν从两极板左端中点沿水平方向射入两平行板之间。求两极板间的电压U为多大时电子能从极板的右端射出。”大家讨论并做分析。

（学生讨论并做分析）

教师：很好！现在我们回到问题1。大家比较一下，问题1与问题2的不同在哪里？

学生：问题1在两极板间加的是交变电压。

学生：问题1射入两平行板之间的电子不是一个，而是连续的。

教师：不错！那我们采用什么办法呢？

（学生讨论并做分析）

教师提示：控制变量法——先研究一个变量问题。

学生：………………？

（学生困惑）

教师：问题1中射入两平行板之间的电子是连续的，我们可不可以先考虑一个电子呢？

（学生似乎有些明白又感到无从下手，问题的根源在于头脑中没有建立相应的物理情景。于是，教师引导他们到生活中去寻找）

教师：问题1中电子通过两极板间的情景你能否在头脑中建立起来？我们生活中有没有类似的现象？

（学生思考、议论）

教师提示：高速公路收费站的挡车横杠是如何工作的？（教师开始帮助学生建立物理情景）

（学生清楚高速公路收费站的挡车横杠是如何工作的）

教师：如果挡车横杠的高度比汽车的高度大，横杠能否起到挡车的作用？（教师开始帮助学生进行情景转换）

学生：横杠过高或汽车过低，横杠都不起作用。

教师：大家分析得很好。我们再认真对比分析一下，问题1中电子通过两极板间的情景跟挡车横杠的工作情景是否有类似的地方？

（学生一下明白了许多）

学生：汽车像电子、横杠的高度像电压。

教师：对！大家能否改进高速公路收费站的挡车横杠设计，同时对通过的汽车做一个条件限制，结果会跟问题1中电子通过两极板间的情景很相似？

（学生讨论，对问题1开始有了比较清晰的认识）

教师、学生：我们设想挡车横杠不是转动的，而是上下运动的（简谐运动），汽车的高度一样且长度不计。这样，电子通过两极板间的情景就跟汽车通过横杠的情景相似。

至此，通过生活中熟悉的情景已经使学生建立了清晰的在不同电压下电子通过两极板时的运动情形，较好地破解了“射入的电子是连续不断的与两极板间加的电压是交变的”困难，也能理解并能计算“有电子从极板的右端射出的时间与没有电子从极板的右端射出的时间”。

案例二：

目标要求：通过情景转换使学生建立清晰的CCD摄相机（摄相机拍摄不受光照影响）随着卫星的飞行，对月球表面进行连续拍摄的情景，找到计算“在月球自转一周的时间内，将月球表面各处全部拍摄下来，摄相机拍摄时拍摄到的月球表面宽度至少是多少”的方法。

问题难点：摄相机（摄相机拍摄不受光照影响）随着卫星的飞行，对月球表面进行连续拍摄，其拍摄到的月球表面宽度与月球表面积的关系。

教学措施：采用探究教学法与情景转换法相结合。

问题3：

月球自转一周的时间与月球绕地球运动一周的时间相等，都为T0。我国的“嫦娥1号”探月卫星于2007年11月7日成功进入绕月运行的“极月圆轨道”，这一圆形轨道通过月球两极上空，距月面的高度为h.若月球质量为M、月球半径为R、引力常量为G。

⑴求“嫦娥1号” 绕月运行的周期。

⑵在月球自转一周的过程中，“嫦娥1号”将绕月球运行多少圈？

⑶“嫦娥1号”携带了一台CCD摄相机（摄相机拍摄不受光照影响），随着卫星的飞行，摄相机将对月球表面进行拍摄，要求在月球自转一周的时间内，将月球表面各处全部拍摄下来，摄相机拍摄时拍摄到的月球表面宽度至少是多少？

教学过程：[这里只讨论问题⑶]

教师：首先，我们在生活中找一找，有没有这样的事件，它跟卫星绕月球运行有相似的地方。

（学生议论并做分析）

学生：………………？

（学生困惑）

教师提示：想想家里用的简易水果削皮机。（教师帮助学生进行情景建立）

学生：水果转动、刀片不动，刀片一圈一圈（连续）把水果皮全部削去。

教师：这种水果削皮机的工作跟卫星绕月球运行有什么相似的地方？（教师帮助学生进行情景转换）

（学生一下明白了许多）

学生：水果削皮机削去的水果皮的总面积等于水果的表面积，这跟卫星绕月球运行摄相机拍摄月球的表面相似。

教师：不错！我们能否把削皮机做一些改动，使削皮机削皮的工作过程跟卫星上的摄相机对月球表面进行拍摄的过程更加相似？

（学生思考讨论并做设计）

教师、学生：我们设想水果做圆周运动、刀片也做圆周运动，两个圆周运动的线速度方向互相垂直，这样改动后的“水果削皮机” 跟卫星上的摄相机对月球表面进行拍摄的过程就完全相似了。

接下来，学生不难找到解决问题⑶的方法。

“情景转换”的教学方法，其核心就是利用生活中大家熟悉的情景（事件）来分析复杂的物理过程、帮助找到解决问题的思维方法，它对提高学生灵活的思维能力、培养学生的综合素质都起着非常积极的作用。