物理核心素養(yǎng)之科學(xué)思維的培養(yǎng)
——彈力概念和機(jī)械能守恒定律的再理解

何幫玉

(銅陵市第一中學(xué) 安徽 銅陵 244000)

高中物理學(xué)科的“核心素養(yǎng)”，共有4個(gè)維度：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.科學(xué)思維這一要素的內(nèi)容，要求學(xué)生學(xué)會(huì)質(zhì)疑創(chuàng)新，不盲目迷信權(quán)威，敢于提出自己的看法和觀點(diǎn).當(dāng)然，對(duì)于中學(xué)生來說，這一項(xiàng)要求難度較大.不過，教師在教學(xué)過程中，能夠抓住機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)思維”這方面的意識(shí)還是很有必要.筆者在教學(xué)過程中有這樣一次經(jīng)歷.

1 師生探究

在《物理·選修3-5》(人教版)教學(xué)過程中，完成“第十六章動(dòng)量守恒定律”教學(xué)時(shí)，有個(gè)學(xué)生提出疑問：如圖1所示，滑塊發(fā)生完全非彈性碰撞，兩滑塊組成系統(tǒng)機(jī)械能不守恒.可是有問題了，滑塊在碰撞過程中，它們間作用力是不是彈力？不是彈力又是什么力呢？若是彈力，根據(jù)機(jī)械能守恒條件，系統(tǒng)內(nèi)彈力做功，機(jī)械能應(yīng)該守恒，但這與事實(shí)不符.提出這一問題的學(xué)生是物理競(jìng)賽小組的成員.

圖1 滑塊發(fā)生完全非彈性碰撞示意圖

這一疑問，首先要回答的問題是：完全非彈性形變(塑性形變)是否有彈力？然后再討論機(jī)械能守恒條件.物理競(jìng)賽小組共有31名學(xué)生，將他們分成兩組，布置任務(wù)：第一組學(xué)生上網(wǎng)查資料，有關(guān)塑性形變與彈力的問題；第二組學(xué)生查找大學(xué)普通物理教材或競(jìng)賽用書，看看機(jī)械能守恒定律是如何表述的.

經(jīng)過一周的時(shí)間，兩組學(xué)生均完成了任務(wù).第一組學(xué)生在網(wǎng)上查找了數(shù)十篇論文，并作了整理.第二組學(xué)生找到了3本普通物理教材和多本競(jìng)賽用書.

筆者專門安排了一堂討論課(用了2個(gè)課時(shí))，先討論彈力的概念，再重新理解機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容.

1.1 彈力的概念

第一組的學(xué)生將他們整理的提綱板書在黑板上，逐條展開討論，然后形成如下共識(shí).

(1)物理課本上所說的“彈力”，一般是指類似于彈簧的彈力(在彈性限度內(nèi)).發(fā)生形變的物體有彈性勢(shì)能，在撤去外力后，物體能夠恢復(fù)原狀，物體具有這樣的性質(zhì)，就是通常所說的“彈性”.

(2)不只在物體發(fā)生形變要恢復(fù)原狀的時(shí)候才能產(chǎn)生彈力，在物體發(fā)生形變的過程中，也有彈力的產(chǎn)生[1].

(3)物體發(fā)生塑性形變時(shí)，在形變的過程中是有彈力的，塑性形變結(jié)束后無彈力.這種“彈力”，中學(xué)物理課本沒有涉及到.

基于以上3點(diǎn)，筆者帶領(lǐng)學(xué)生大膽的提出一個(gè)創(chuàng)新的概念：“塑性力”. 將彈力分為“彈性力”和“塑性力”兩個(gè)概念，它們的異同點(diǎn)如表1所示.

表1 “彈性力”與“塑性力”概念對(duì)比

1.2再認(rèn)識(shí)機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容

首先，將機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容板書在黑板上，選擇了一本競(jìng)賽用書(中學(xué)生更容易接受的語言)和中學(xué)教材分別表述.

競(jìng)賽用書的表述：如果系統(tǒng)內(nèi)只有保守力做功，其他非保守力和一切外力不做功，則系統(tǒng)內(nèi)各物體的動(dòng)能和勢(shì)能之間可以互相轉(zhuǎn)化，但它們的機(jī)械能總和保持不變[2].

中學(xué)物理課本上的表述：在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變[3].

(1)兩者相比較，競(jìng)賽用書上的表述沒有任何問題，圖1中的兩個(gè)物體碰撞過程中雖然有彈力，但是屬于非保守力的“塑性力”，機(jī)械能不守恒.中學(xué)課本上的“只有系統(tǒng)內(nèi)彈力做功，總的機(jī)械能保持不變”就無法解釋圖1的情況.

(2)可以想到，中學(xué)課本上“系統(tǒng)內(nèi)的彈力”是指在彈性限度內(nèi)類似于彈簧的彈力，應(yīng)叫做“彈性力”.

(3)編寫中學(xué)教材是要考慮中學(xué)生的知識(shí)水平，不能像普通物理教材或者競(jìng)賽用書上的表述，但也需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn).可以將“彈力”改為“彈性力”，再利用課本上的“說一說”“STS”等小欄目說明“彈性力”的概念，以及“塑性形變”中的彈力.或者在教學(xué)參考資料上增加相關(guān)內(nèi)容，供教師教學(xué)備課用.

課堂上學(xué)生積極發(fā)言，氣氛活躍，有的學(xué)生敢于大膽地表述觀點(diǎn)，閃耀出科學(xué)思維的火花.教育的本能是培養(yǎng)人的活動(dòng)，在培養(yǎng)人的過程中要因材施教[4].

2 教學(xué)延伸

根據(jù)“塑性力”概念的引入，教師“趁熱打鐵”，進(jìn)一步說明3類碰撞過程中機(jī)械能如何變化，以兩小球碰撞為例，如圖2所示.

圖2 兩小球碰撞過程示意圖

彈性碰撞：第一階段發(fā)生完全彈性形變，兩球間作用力是彈性力，球1減速，球2加速，直到兩球具有相同速度，形變量達(dá)到最大，第一階段結(jié)束，一對(duì)彈性力做的總功為負(fù)值.

由于彈性形變要恢復(fù)原狀，彈性力仍然存在，球1繼續(xù)減速，球2繼續(xù)加速，球2的速度大于球1的速度，兩球開始分開，直到完全脫離，第二階段結(jié)束，一對(duì)彈性力做的總功為正值.功能關(guān)系如圖3所示.

圖3 彈性碰撞功能關(guān)系

非彈性碰撞：第一階段彈性形變伴隨塑性形變，兩球間既有彈性力，又有塑性力，第一階段結(jié)束時(shí)，一對(duì)彈性力和一對(duì)塑性力做的總功均為負(fù)值.

彈性形變對(duì)應(yīng)的彈性力仍然存在，但塑性力消失，在彈性力作用下，球1繼續(xù)減速，球2繼續(xù)加速，兩球開始分開，直到完全脫離，第二階段結(jié)束，一對(duì)彈性力做的總功為正值.功能關(guān)系如圖4所示.

圖4 非彈性碰撞功能關(guān)系

完全非彈性碰撞：第一階段只有塑性形變，兩球間作用力是塑性力，第一階段結(jié)束時(shí)，一對(duì)塑性力做的總功為負(fù)值.

由于兩球速度相等時(shí)，塑性形變不再變化，塑性力消失，兩球間無作用力，球速不變，即兩球以共同的速度運(yùn)動(dòng)，因而沒有第二個(gè)恢復(fù)階段，顯然這種碰撞機(jī)械能損失最多.功能關(guān)系如圖5所示.

圖5 完全非彈性碰撞功能關(guān)系