例說(shuō)高中物理概念教學(xué)

唐昌琳 蔣龍飛

[摘? ?要]物理概念是學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)，概念理解不準(zhǔn)確、掌握不夠熟練直接影響學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。如何讓學(xué)生快速準(zhǔn)確地理解掌握物理概念是高中物理教學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題。筆者在幾十年的教學(xué)實(shí)踐與反思中發(fā)現(xiàn)，從學(xué)生已經(jīng)掌握的知識(shí)出發(fā)，逐漸遞進(jìn)，不但可以提高學(xué)生對(duì)新概念的接受速度，還可以提高學(xué)生對(duì)新概念理解的準(zhǔn)確度，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，對(duì)提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)都有積極作用。

[關(guān)鍵詞]高中物理;概念教學(xué);科學(xué)思維

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? ?A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）20-0034-03

一、基于已知知識(shí)，開(kāi)展概念教學(xué)

所謂已知知識(shí)就是學(xué)生已經(jīng)掌握的物理知識(shí)或生活常識(shí)，基于已知知識(shí)的物理概念教學(xué)，就是從已經(jīng)掌握的物理知識(shí)或生活常識(shí)出發(fā)，幫助學(xué)生建立新的物理概念的過(guò)程。本文結(jié)合三個(gè)教學(xué)片段進(jìn)行分析說(shuō)明。

1.位移與路程教學(xué)片段

已知知識(shí)：在初中學(xué)生已經(jīng)知道，當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)另一個(gè)物體的位置發(fā)生了變化，就說(shuō)這個(gè)物體發(fā)生了機(jī)械運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)稱運(yùn)動(dòng)。

新概念的產(chǎn)生：

【教師】什么叫作機(jī)械運(yùn)動(dòng)？

【學(xué)生】當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)另一個(gè)物體的位置發(fā)生變化，叫作機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

【教師】對(duì)！如一個(gè)同學(xué)由我們教室的右前方的A位置移動(dòng)到了左后方的B位置，他相對(duì)教室的位置發(fā)生了變化，我們說(shuō)這個(gè)同學(xué)做了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

【教師】那么我們?cè)鯓雍?jiǎn)單地描述該同學(xué)由A位置移動(dòng)到B位置這一事實(shí)呢？

【學(xué)生】需要描述A位置到B位置的距離。

【教師】對(duì)。這個(gè)距離可用連接AB的直線描述，如圖1所示。這樣就能把該同學(xué)的位置移動(dòng)描述清楚了嗎？

【學(xué)生】不能。

【教師】那還需要什么呢？

【學(xué)生】還需要描述該同學(xué)是由A位置移動(dòng)B位置。

【教師】對(duì)。如圖1所示，我們是不知道他是由A到B，還是由B到A的。請(qǐng)問(wèn)用什么方法可描述該同學(xué)由A位置移動(dòng)到B位置呢？

【學(xué)生】用一個(gè)由A指向B的箭頭就可以描出該同學(xué)由A位置移動(dòng)到B位置的位置移動(dòng)方向了。

【教師】對(duì)。如圖2所示，我們就可以把該同學(xué)位置移動(dòng)的距離與移動(dòng)的方向描述清楚了。在物理學(xué)中把這一描述位置移動(dòng)的距離與方向的有向線段叫作位移。

位移：由初始位置指向末了位置的有向線段。線段的長(zhǎng)度表示位置移動(dòng)的距離（也叫位移的大?。?，箭頭表示移動(dòng)的方向。

【教師】請(qǐng)問(wèn)該同學(xué)確實(shí)是沿AB直線由A位置移到B位置的嗎？

【學(xué)生】因?yàn)橛凶雷幼钃酰豢赡苎刂本€由A到B，除非把所有桌子移開(kāi)。

【教師】對(duì)。我們教室整齊地排列著4組課桌，該同學(xué)不可能沿直線由A到B，如圖3所示，他可以沿ACB、ADB等路徑由A到B。如果把課桌移走，他還可以沿任意路徑由A到B，如圖4中Ⅱ所示。

圖3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖4

這樣看來(lái)，位移只能描述位置移動(dòng)的始末，不能描述具體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。為了描述運(yùn)動(dòng)的具體路徑過(guò)程，我們又引入一個(gè)描述具體路徑實(shí)際長(zhǎng)度的物理量——路程。

路程：運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)際長(zhǎng)度。

【小結(jié)】物體由不同路徑從一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置，路程是不一樣的，但位移總是相同的。不管怎樣運(yùn)動(dòng)，都存在路程大于等于位移大小這一事實(shí)，而且只有在單方向的直線運(yùn)動(dòng)中路程才等于位移大小。

以上是一個(gè)利用學(xué)生熟悉的教室布局，再由學(xué)生在初中就已經(jīng)掌握了的機(jī)械運(yùn)動(dòng)出發(fā)，層層遞進(jìn)，建立位移、路程概念的教學(xué)片段。這一基于已知知識(shí)的新概念教學(xué)不但成功地幫助學(xué)生建立了位移、路程兩個(gè)新的物理概念，也為下一個(gè)新概念“矢量”的引入打下了基礎(chǔ)。

2.動(dòng)能和動(dòng)能定理教學(xué)片段

已知知識(shí)：在初中學(xué)生就已經(jīng)知道了力對(duì)物體做功等于力和物體在力的方向上移動(dòng)的距離的乘積，即[W=Fs]，也知道做了多少功就有多少能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。物體由于運(yùn)動(dòng)所具有的能叫作動(dòng)能。進(jìn)入高一以后，在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前學(xué)生已經(jīng)掌握了勻變速直線運(yùn)動(dòng)與牛頓第二定律的相關(guān)知識(shí)，即[s=v0t+12at2]，[v2t-v20=2as]、[F=ma]等。

新概念的產(chǎn)生：

【教師】大家都知道力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，那么我們就來(lái)看看下面這個(gè)物理模型中力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化之間的關(guān)系。

建立模型：一個(gè)質(zhì)量為m的物體，以初速度[v1]滑上一粗糙水平地面，其與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為[μ]，在滑上水平地面的同時(shí)受到一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相同的恒定拉力F的作用并移動(dòng)一段位移s，速度增加到[v2]，試討論物體所受外力對(duì)物體做功與物體速度變化之間的關(guān)系。

【教師】請(qǐng)大家在草稿紙上畫(huà)出物體受力示意圖及運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖，并請(qǐng)A同學(xué)上講臺(tái)來(lái)，在黑板上畫(huà)出示意圖。

【A同學(xué)】畫(huà)出的示意圖如圖5所示。

【教師】物體所受合外力怎樣？它將做什么運(yùn)動(dòng)？

【學(xué)生】物體所受合外力為：[F合=F-f]。因?yàn)槲矬w受與速度同向的恒力作用，所以物體做初速度為[v1]的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，其加速度遵循[F合=ma]。

【教師】這個(gè)合外力對(duì)物體做的功與速度變化之間有什么關(guān)系呢？請(qǐng)B同學(xué)上講臺(tái)來(lái)，在黑板上推導(dǎo)，其他同學(xué)在草稿紙上完成。

【B同學(xué)】[W=F合s]……①

[F合=ma]………②

[v22-v21=2as]……③

由②③式可得：[F合=mv22-v212s]

將上式代入①式可得：[W=12mv22-12mv21]……④

【教師】我們知道外力做了多少功就有多少能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，從這個(gè)角度來(lái)看，④式右邊應(yīng)該是某種能量的變化。這個(gè)能量與物體運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，即由于物體運(yùn)動(dòng)所具有的能量——應(yīng)該就是我們?cè)诔踔兴f(shuō)的動(dòng)能。

【動(dòng)能】一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)所具有的能叫作動(dòng)能，等于物體質(zhì)量與物體速度的二次方的乘積的一半，表達(dá)式為：[Ek=12mv2]。

從④式整體來(lái)看，外力對(duì)物體做的功等于物體動(dòng)能的增量，這就是我們?cè)诟咧须A段要知道的第一個(gè)重要定理——?jiǎng)幽芏ɡ怼?/p>

【動(dòng)能定理】外力對(duì)物體做的功等于物體動(dòng)能的增量，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

[W=12mv22-12mv21]

雖然學(xué)生在初中已經(jīng)知道“物體由于運(yùn)動(dòng)所具有的能叫作動(dòng)能”，也知道“物體的動(dòng)能跟質(zhì)量和速度有關(guān)，速度越大，質(zhì)量越大，它具有的動(dòng)能就越大[1]”，但動(dòng)能的多少，怎樣量度，還是不清楚的。本教學(xué)片段利用功、牛頓第二定律及運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，導(dǎo)出一個(gè)等式，左邊是力對(duì)物體做的功，右邊是一個(gè)差值。根據(jù)初中掌握的“力做了多少功就有多少能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能”，學(xué)生很容易理解右邊應(yīng)該是某種形式能量的增加量，因?yàn)檫@一能量與物體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，應(yīng)該就是初中物理所說(shuō)的物體由于運(yùn)動(dòng)所具有的能——?jiǎng)幽堋?/p>

以上是從初中所學(xué)知識(shí)及高中階段在本節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)之前已經(jīng)掌握的知識(shí)出發(fā)，得出動(dòng)能的計(jì)算式及動(dòng)能定理，整個(gè)過(guò)程自然流暢，學(xué)生容易接受。

二、利用概念教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)之科學(xué)思維主要包括模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。這些要素在各種不同的課型中都會(huì)得到相應(yīng)的訓(xùn)練，概念教學(xué)也不例外，實(shí)例如下。

《功率》的教學(xué)片段

已知知識(shí)：日常生活中關(guān)于工作效率、學(xué)習(xí)效率的含義;初中階段已掌握的“把做功的多少與所用時(shí)間的比叫作功率”;高中在學(xué)習(xí)本節(jié)《功率》之前學(xué)生已經(jīng)掌握了力對(duì)物體做的功[W=Fscosθ];物體的平均速度[v=ΔsΔt]，其中[Δt]為發(fā)生位移[Δs]對(duì)應(yīng)的一段時(shí)間，則[v]為這段時(shí)間的平均速度，如果從開(kāi)始計(jì)時(shí)算起[Δt→0]，則為該時(shí)刻的瞬時(shí)速度。（教師把數(shù)學(xué)表達(dá)式呈現(xiàn)在黑板的一角）

新概念的產(chǎn)生：

【教師】我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｕf(shuō)效率一詞，請(qǐng)問(wèn)什么叫作效率？

【學(xué)生】效率就是單位時(shí)間內(nèi)完成事件的多少，也就是完成某個(gè)事件跟完成這個(gè)事件所需時(shí)間的比值。

【教師】請(qǐng)舉例說(shuō)明。

【學(xué)生】如某同學(xué)2小時(shí)完成20道題，他做作業(yè)的效率是10道/小時(shí)。

【教師】該同學(xué)恰好是每小時(shí)做完10道題嗎？

【學(xué)生】不是的，這是一個(gè)平均值。

【教師】為什么？

【學(xué)生】因?yàn)?0道題里面既有選擇題、填空題，也有計(jì)算題。他也許是第1個(gè)小時(shí)完成了16道選擇題和填空題，第2個(gè)小時(shí)完成4道計(jì)算題。

【教師】很好！那么請(qǐng)問(wèn)大家，力對(duì)物體做功的效率又應(yīng)該如何表達(dá)呢？

【學(xué)生】應(yīng)該是該力在單位時(shí)間內(nèi)所做功的多少，或者說(shuō)是力對(duì)物體所做的功跟完成這個(gè)功所需時(shí)間的比值。

【教師】非常正確，為了簡(jiǎn)化表達(dá)，我們把力對(duì)物體做功的效率叫作功率。

今天我們就來(lái)學(xué)習(xí)功率這個(gè)概念，板書(shū)課題并給出功率的定義和數(shù)學(xué)表達(dá)式。

【功率】力對(duì)物體做的功W與完成這些功所需時(shí)間t的比值。

數(shù)學(xué)表達(dá)式：[P=Wt]

單位：國(guó)際單位為瓦特。

符號(hào)是W，[1W=1 J/s]。

【教師】功有負(fù)值，功率有沒(méi)有負(fù)值？

有的學(xué)生回答“有”，有的學(xué)生回答“沒(méi)有”，讓回答“沒(méi)有”的學(xué)生說(shuō)明理由。

【學(xué)生】就像我們做作業(yè)的效率，不可能有-5道題/小時(shí)一樣，我認(rèn)為功的效率應(yīng)該是力對(duì)物體做功的絕對(duì)值跟所需時(shí)間的比值。

【教師】很正確，效率最小是0，不可能有負(fù)值，也就是說(shuō)功率是沒(méi)有負(fù)值的。

概念的深化：

【教師】根據(jù)前面的知識(shí)我們知道，用[P=Wt]求出的功率應(yīng)該是t時(shí)間內(nèi)的平均功率，如果從計(jì)時(shí)開(kāi)始所取的[t→0]，則求出的功率是什么功率？

【學(xué)生】從平均速度與瞬時(shí)速度的關(guān)系可知，當(dāng)[t→0]時(shí)，求出的應(yīng)該是該時(shí)刻的瞬時(shí)功率。

【教師】對(duì)。不過(guò)目前我們還不具備用[P=Wt]求瞬時(shí)功率的數(shù)學(xué)知識(shí)。那么我們有沒(méi)有更好的辦法求瞬時(shí)功率呢？讓我們一起來(lái)推推看。

[P=Wt] ………………①

[W=Fs cos θ] ………②

將②代入①有[P=Fscosθt] ，考慮到[v=st] ，可得：[P=Fvcosθ] ………③

如果t為一段時(shí)間，則③式中的v為t時(shí)間內(nèi)的平均速度，則P為t時(shí)間內(nèi)的平均功率;如果從計(jì)時(shí)開(kāi)始所取的[t→0]，則v為開(kāi)始計(jì)時(shí)時(shí)刻的瞬時(shí)速度，P就是該時(shí)刻的瞬時(shí)功率。

【教師】在②式中，[θ]表示力F的方向與位移s的方向的夾角，那么在③式中[θ]表示什么意思呢？

【學(xué)生】在③式中[θ]表示F的方向與速度v的方向的夾角。

【教師】理由是什么？

【學(xué)生】因?yàn)樗俣确较蚋灰品较蚴且恢碌?，所以力的方向與位移方向的夾角也就是力的方向與速度方向的夾角。

這是一個(gè)基于已知知識(shí)，從生活走向物理的教學(xué)片段。在平均功率、瞬時(shí)功率新概念的建立過(guò)程中著重培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)推理與科學(xué)論證能力。

注：本文作者為《廣西普通高中物理學(xué)科教學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題實(shí)踐研究》（2018ZJY235）課題組成員。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 瀘粵版初中物理教材編寫(xiě)組.義務(wù)教育教科書(shū)物理（九年級(jí)上冊(cè)）[M].廣州：廣東教育出版社，上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2017.

[2]? 人民教育出版社高中物理教材編寫(xiě)組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]? 人民教育出版社高中物理教材編寫(xiě)組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯 易志毅）