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运动学中的“一种模型”、“一种思想”、“一种定义”

时间:2022-12-14 11:00:06 思想汇报 来源:网友投稿

笔者对所教毕业班的学生进行过调查,让他们结合自身的学习经历,谈谈三年来最容易学习的物理知识。首当其冲的要属必修1上面的第一、二章。那是不是真的这么容易?

我们来看看下面这两道选择题:

❉赏1:(2014苏锡常镇二)下列关于物理学思想方法的叙述错误的是 :( D )

A.探究加速度与力和质量关系的实验中运用了控制变量法

B.电学中电阻、场强和电势的定义都运用了比值法

C.力学中将物体看成质点运用了理想化模型法

D. →0时的平均速度可看成瞬时速度运用了等效替代法

❉赏2:(2015泰州二)物理学中有多种研究问题的方法,下列叙述中错误的是: ( D )

A.将实际的物体抽象为质点采用的是建立理想模型法

B.探究加速度a与力F、质量m之间的关系时,采用了控制变量法

C.定义电场强度的概念,采用的是比值定义法

D.伽利略比萨斜塔上的落体实验,采用的是理想实验

很多同学在模棱两可中选出了错误的答案,原因就在于不知道物理问题的研究过程往往蕴含着丰富的物理思想方法。这儿笔者来谈谈运动学中涉及的几个物理思想。

建立“理想”的物理模型

教材上是这样描述的“在物理学中,突出问题的主要方面,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,并将其作为研究对象,是经常采用的一种科学方法。质点就是这种物理模型之一。”就质点概念本身,主要考查学生会在具体情境中判断物体能否看作质点,只要我们研究的运动对物体的形状和大小不作要求,就可以看作质点,比较简单不再举例。

当然在此,我们更重要的是能够意识到“质点”这个概念建立的真正意义:在研究物理问题时,要学会抓住主要因素忽略次要因素来简化问题的处理方式。像后面要学习的点电荷概念,理想气体概念等都是属于理想化的物理模型。

渗透“极限”的思想

“极限”这个词语似乎是数学学科才有的,在物理教材上也从未出现“极限”这个词。教材上是这样描述的“平均速度只能粗略地描述运动的快慢。为了使描述精确,可以把 取得小一些,物体从t到t+ 这样一个较小的时间间隔内,运动快慢的差异也就小一些。 越小,运动的描述就越精确。当 非常非常小时,我们把 称作物体在t时刻的瞬时速度。”这里的“非常非常小”常称为物理上的无穷小,其实就是极限的一种通俗说法。这个思想可以简化很多复杂的物理问题。就本章而言,有两处借助这个思想:

应用一:求解瞬时速度

对于非匀变速运动以及运动参量已知量比较少时,我们可以采用短时间内的平均速度来替代,当然这里对于极小时间间隔和极小长度的测量要求比较高。教材上在这方面通过科学漫步给大家介绍了光电门的计时原理,可以测出0.001s的时间再次让学生体会到“极短时间”的概念。对于遮光条即极小长度在后面我们在后面的学习中会涉及用游标卡尺测得。

应用二:推导匀变速直线运动的公式

第二章第3节“思考与讨论”中让学生讨论,当时间间隔越来越短时把变速运动当匀速运动来处理所造成的误差会有什么变化。通过速度图像,运用这种把变速运动的全过程分割各小段匀速运动的思路,推出了 的关系式。

其实上面这两个应用共同点都是“一个变化过程在极短时间内可以认为是不变的”:变速认为是匀速,这是一种科学的思路,高中物理的学习中处处渗透着这种思想。可以“让变量当做恒量”来处理,例如在力学中,一段变力做功在极短位移内可以当做恒力做功来处理;在电磁学中,一个变化的电场(磁场)在极短时间内可以把它当做恒定电场(磁场)来处理;可以“化曲为直”,例如在圆周运动中,向心加速度公式的推导教材上有这样一段描述“当 很小很小时,弧长与弦长没有什么区别,因此弧长就可代替弦长”。

极限思想常常是对待复杂物理问题的一种科学方法,对物理问题的研究起到一定的简化作用,这一点与理想化物理模型的建立有共同的功效。

“比值法”定义的物理量

比值定义这个说法第一次是出现在速度这个物理量的定义。教材上是这样呈现的“在这里我们用两个物理量(位移和时间)的比值定义了一个新的物理量(速度),它的物理意义与原来的两个物理量完全不同。”在定义加速度时,再次这样描述:“加速度是用比值定义物理量的又一个例子。”

说到比值法定义,初中有电阻R的定义作为铺垫,因此学生并不陌生。但是对于这一类物理量的特征:“它的物理意义与原来的两个物理量完全不同”,这个“完全不同”即不是由这两个物理量单独决定的,这点学生掌握的并不是很好。会错误的认为速度大,或速度变化多,加速度就会大。需要举一些实例来深刻体会,教材上加速度这一节的思考与讨论可以让学生体会到这一点。

运动学中除了这三个物理思想,还有赏2中选项D采用了实验检验猜想和假设的科学方法。我们在后面额学习中还会涉及等效替代法、控制变量法等物理学思想方法,它们是学生学习中需要具备的物理素养。很多思想在运动学中学生也是第一次接触,学生要认真对待这些重要的“第一次”。

高中物理教材必修1开篇“物理学与人类文明”中有这样一段文字“进入高中之后,你们将会见识更为丰富多彩的物理现象,学到更为深刻的物理知识,进一步领悟科学研究的方法,增进对科学的感情,受到科学精神的陶冶。”可见物理思想方法的熏陶也是学习物理的一个重要方面。当然物理素养的获取也不是一蹴而就,需要老师和学生一起循序渐进,逐步渗透。

(作者单位:江苏省无锡市洛社高级中学)

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