物理核心素养之科学思维的培养——弹力概念和机械能守恒定律的再理解

何帮玉

(铜陵市第一中学 安徽 铜陵 244000)

高中物理学科的“核心素养”，共有4个维度：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.科学思维这一要素的内容，要求学生学会质疑创新，不盲目迷信权威，敢于提出自己的看法和观点.当然，对于中学生来说，这一项要求难度较大.不过，教师在教学过程中，能够抓住机会，培养学生“科学思维”这方面的意识还是很有必要.笔者在教学过程中有这样一次经历.

1 师生探究

在《物理·选修3-5》(人教版)教学过程中，完成“第十六章动量守恒定律”教学时，有个学生提出疑问：如图1所示，滑块发生完全非弹性碰撞，两滑块组成系统机械能不守恒.可是有问题了，滑块在碰撞过程中，它们间作用力是不是弹力？不是弹力又是什么力呢？若是弹力，根据机械能守恒条件，系统内弹力做功，机械能应该守恒，但这与事实不符.提出这一问题的学生是物理竞赛小组的成员.

图1 滑块发生完全非弹性碰撞示意图

这一疑问，首先要回答的问题是：完全非弹性形变(塑性形变)是否有弹力？然后再讨论机械能守恒条件.物理竞赛小组共有31名学生，将他们分成两组，布置任务：第一组学生上网查资料，有关塑性形变与弹力的问题；第二组学生查找大学普通物理教材或竞赛用书，看看机械能守恒定律是如何表述的.

经过一周的时间，两组学生均完成了任务.第一组学生在网上查找了数十篇论文，并作了整理.第二组学生找到了3本普通物理教材和多本竞赛用书.

笔者专门安排了一堂讨论课(用了2个课时)，先讨论弹力的概念，再重新理解机械能守恒定律的内容.

1.1 弹力的概念

第一组的学生将他们整理的提纲板书在黑板上，逐条展开讨论，然后形成如下共识.

(1)物理课本上所说的“弹力”，一般是指类似于弹簧的弹力(在弹性限度内).发生形变的物体有弹性势能，在撤去外力后，物体能够恢复原状，物体具有这样的性质，就是通常所说的“弹性”.

(2)不只在物体发生形变要恢复原状的时候才能产生弹力，在物体发生形变的过程中，也有弹力的产生[1].

(3)物体发生塑性形变时，在形变的过程中是有弹力的，塑性形变结束后无弹力.这种“弹力”，中学物理课本没有涉及到.

基于以上3点，笔者带领学生大胆的提出一个创新的概念：“塑性力”. 将弹力分为“弹性力”和“塑性力”两个概念，它们的异同点如表1所示.

表1 “弹性力”与“塑性力”概念对比

1.2再认识机械能守恒定律的内容

首先，将机械能守恒定律的内容板书在黑板上，选择了一本竞赛用书(中学生更容易接受的语言)和中学教材分别表述.

竞赛用书的表述：如果系统内只有保守力做功，其他非保守力和一切外力不做功，则系统内各物体的动能和势能之间可以互相转化，但它们的机械能总和保持不变[2].

中学物理课本上的表述：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变[3].

(1)两者相比较，竞赛用书上的表述没有任何问题，图1中的两个物体碰撞过程中虽然有弹力，但是属于非保守力的“塑性力”，机械能不守恒.中学课本上的“只有系统内弹力做功，总的机械能保持不变”就无法解释图1的情况.

(2)可以想到，中学课本上“系统内的弹力”是指在弹性限度内类似于弹簧的弹力，应叫做“弹性力”.

(3)编写中学教材是要考虑中学生的知识水平，不能像普通物理教材或者竞赛用书上的表述，但也需要科学严谨.可以将“弹力”改为“弹性力”，再利用课本上的“说一说”“STS”等小栏目说明“弹性力”的概念，以及“塑性形变”中的弹力.或者在教学参考资料上增加相关内容，供教师教学备课用.

课堂上学生积极发言，气氛活跃，有的学生敢于大胆地表述观点，闪耀出科学思维的火花.教育的本能是培养人的活动，在培养人的过程中要因材施教[4].

2 教学延伸

根据“塑性力”概念的引入，教师“趁热打铁”，进一步说明3类碰撞过程中机械能如何变化，以两小球碰撞为例，如图2所示.

图2 两小球碰撞过程示意图

弹性碰撞：第一阶段发生完全弹性形变，两球间作用力是弹性力，球1减速，球2加速，直到两球具有相同速度，形变量达到最大，第一阶段结束，一对弹性力做的总功为负值.

由于弹性形变要恢复原状，弹性力仍然存在，球1继续减速，球2继续加速，球2的速度大于球1的速度，两球开始分开，直到完全脱离，第二阶段结束，一对弹性力做的总功为正值.功能关系如图3所示.

图3 弹性碰撞功能关系

非弹性碰撞：第一阶段弹性形变伴随塑性形变，两球间既有弹性力，又有塑性力，第一阶段结束时，一对弹性力和一对塑性力做的总功均为负值.

弹性形变对应的弹性力仍然存在，但塑性力消失，在弹性力作用下，球1继续减速，球2继续加速，两球开始分开，直到完全脱离，第二阶段结束，一对弹性力做的总功为正值.功能关系如图4所示.

图4 非弹性碰撞功能关系

完全非弹性碰撞：第一阶段只有塑性形变，两球间作用力是塑性力，第一阶段结束时，一对塑性力做的总功为负值.

由于两球速度相等时，塑性形变不再变化，塑性力消失，两球间无作用力，球速不变，即两球以共同的速度运动，因而没有第二个恢复阶段，显然这种碰撞机械能损失最多.功能关系如图5所示.

图5 完全非弹性碰撞功能关系