浅谈高中物理核心素养下科学思维能力的养成——以传送带动力学模型为例

林伯来

(云浮市邓发纪念中学 广东 云浮 527300)

曾 斌

(广东实验中学 广东 广州 510375)

浅谈高中物理核心素养下科学思维能力的养成
——以传送带动力学模型为例

林伯来

(云浮市邓发纪念中学 广东 云浮 527300)

曾 斌

(广东实验中学 广东 广州 510375)

物理核心素养是现在教学研究的热点问题，如何建立科学思维能力是其中很重要的一方面.通过“传送带”动力学模型来做一些初步的探究，讨论了传送带运动两种情况下的动力学问题，通过力与运动的结合得到了解决此类问题的一般思路与方法，以提高学生的综合思维能力.

核心素养 传送带 动力学 运动过程

核心素养是现阶段课程改革和教学改革的主要方向,在物理教学实践中如何全面落实物理核心素养要素是一个新的课题.物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有学科特性的品质.现阶段提出的核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“实验探究”“科学态度与责任”等4个方面的关键素养组成.而在其中，结合现在教学实际，让学生形成科学思维能力是当前高考中的热点与重点问题.而在科学思维的建构中，物理模型的构建显得非常重要，也是历年高考中出题的热点问题，那么如何构建物理模型?本文通过对“传送带”模型的分析来体现科学思维能力的构建.

“传送带”类问题有效地体现了运动学规律的综合应用，包含了物理学科中的相对运动、摩擦力做功、动能定理以及系统能量的转化和守恒等一系列有关问题，它对科学思维能力的建立有着较高的能力要求，因此一直是高考命题的热点.这类问题能够较全面地考查学生利用物理规律分析问题和解决问题的能力，广大师生在复习备考中应该予以重视.

传送带模型的动力学问题有两个突破点：第一是传送带及滑块的摩擦力方向；第二是滑块运动过程的情境分析.在分析过程中合理利用速度-时间图像能对解题有事半功倍的效果.下面分两种情况来对传送带动力学情景进行分析.

1 水平传送带动力学分析

1.1 运动情况分析

对水平传送带上滑块的运动分析如表1～表3所示.

表1 无初速度的滑块在水平传送带上的运动情况分析

表2 具有与传送带同向速度的滑块的运动分析

表3 具有与传送带反向速度的滑块的运动分析

1.2 水平传送带典型例题分析

【例1】如图1所示,A,B为传送带的左、右端点,AB长L=8 m,初始时传送带处于静止状态,当质量m=2 kg的物体(可视为质点)轻放在传送带A点时，传送带立即启动，启动过程可视为加速度a=2 m/s2的匀加速运动，加速结束后传送带立即匀速转动.已知物体与传送带间动摩擦因数μ=0.1，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10 m/s2.

图1 例1题图

(1)如果物块以最短时间到达B点，物块到达B点时的速度大小是多少?

(2)上述情况下传送带至少加速运动多长时间?

分析:(1)如果滑块一直向右匀加速运动，运动时间最短，根据牛顿第二定律列式求解加速度，根据速度位移关系公式列式求解末速度.

(2)对传送带，根据速度时间关系公式列式求解加速时间．

解答:(1)为了使物块以最短时间到达B点，物块应一直以加速度a1匀加速从A点到达B点，根据牛顿第二定律，有

μmg=ma1

根据速度位移公式，有

解得

(2)设传送带加速结束时的速度为v，为了使物块能一直匀加速从A点到达B点，需满足

v≥vB

根据速度时间关系公式，对传送带加速过程有

v=at

解得

t≥2 s

2 倾斜传送带动力学分析

2.1 运动情况分析

倾斜传送带上滑块的运动情况分析如表4～表7所示(图中的f为最大静摩擦力).

表4 无初速度的滑块在倾斜向上运动的传送带上的运动情况分析

表5 无初速度的滑块在倾斜向下运动的传送带上的运动情况分析

表6 具有与传送带同向速度的滑块在倾斜传送带上的运动分析

表7 具有与传送带反向速度的滑块在倾斜传送带上的运动分析

2.2 倾斜传送带典型例题分析

【例2】如图2所示,传送带与地面倾角θ=37°,从A→B长度L=16 m,传送带以v=10 m/s的速率逆时针转动.在传送带上端A无初速度地放一个质量m=0.5 kg的物体,它与传送带之间的动摩擦因数μ=0.5.物体从A运动到B需多长时间?(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)

分析:物体刚放上传送带，摩擦力的方向沿传送带向下，根据牛顿第二定律求出物体的加速度，结合运动学公式求出速度达到传送带速度时的时间和位移，由于重力沿斜面方向的分力大于滑动摩擦力，速度相等后，滑动摩擦力沿斜面向上，根据牛顿第二定律求出物体的加速度，结合位移时间公式求出剩余段匀加速运动的时间，从而得出物体从A运动到B的时间．

图2 例2题图

解答:物体刚放上传送带时受摩擦力向下,则

当物体与传送带相对静止时,物体的位移

传送带过长，因为

mgsinθ>μmgcosθ

物体与传送带不能保持相对静止，会有第二阶段的加速运动.

第一阶段加速过程时间

第二阶段加速位移

x2=L-x1=11 m

第二阶段加速度

则

代入数据解得t2=1 s,故共耗时

t=t1+t2=2 s

变式1:在例2中，若物体与传送带之间的动摩擦因数变为0.75，则在上述情况下，物体从A到B所用的时间是多少？

解答:物体刚放上传送带时相对传送带沿斜面向下滑,则

当物体与传送带相对静止时,物体的位移

传送带过长，因为

mgsinθ=μmgcosθ

物体与传送带将保持相对静止，会有第二阶段对地匀速运动.

第一阶段加速过程时间

第二阶段对地匀速位移

x2=L-x1=11.83 m

x2=vt

代入数据解得t2=1.183 s,故共耗时

t=t1+t2=2.016 s

变式2:若传送带是顺时针转动，则在例2情况下，物体从A到B所用的时间是多少？

解答：物体刚放上传送带时受摩擦力向上,则

当物体与传送带相对静止时,物体的位移

传送带过短，物体一直做匀加速运动

代入数据解得

t=4 s

3 结束语

传送带问题看起来比较复杂，但是通过以上分析，可以发现传送带的问题主要是摩擦力问题，因此只要建立好物理情境，分析清楚它的速度-时间图像、运动学公式、牛顿运动定律、功能关系，便可以不攻自破了！

而通过“传送带”模型的动力学分析，让学生很好地建立了科学思维能力的一般方法，为学生的物理核心素养的养成提供了素材，如果在平时教学中注重这些物理模型与科学思维的建立，那么一定会为学生的终身发展提供无限的动力.

1 侯海军,孙明西.基于物理核心素养的高中物理教学探讨.物理教学探讨,2016(10):39～40

2 胡学盛.传送带问题二、三事——传送带动力学问题详析.新高考:高一物理,2014(11):8～11

3 牟跃娟.传送带上的功能问题简析.物理教学探讨,2005(12):34

4 李光远.传送带中能量问题的探究.中学物理,2010(03):42～44

2016-12-30)