探討：反沖之“反”

熊雨薇

摘? ?要：反沖是動量守恒定律的重要應(yīng)用之一，對于“什么是反沖”這個問題，容易得出答案，但是不好解釋。新教材在舊教材的基礎(chǔ)上做了修改，在思考教材改編原因的過程中，逐漸明晰反沖的本質(zhì)是“力的反”，理解了為何火箭是本節(jié)的重要應(yīng)用情境，深刻感受到牛頓運動定律在宏觀世界的“霸主地位”，并設(shè)計了本節(jié)的習(xí)題課，希望通過三個核心問題設(shè)置認知沖突、引導(dǎo)學(xué)生自主挖掘反沖的本質(zhì)，體會物理學(xué)的和諧與統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：反沖現(xiàn)象;火箭;牛頓運動定律;本質(zhì)與表象

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0006-3

基于核心素養(yǎng)背景下的高考改革早已拉開帷幕，教育工作者們對課程標(biāo)準(zhǔn)、核心素養(yǎng)等的研究工作正如火如荼地進行著。教材是第一手教學(xué)資源，也是國家教育方針和指導(dǎo)意見最直接的傳遞材料。對教材進行對比研究，可以幫助我們明確教育改革方向，理解物理學(xué)科培養(yǎng)要求。

“反沖”是動量守恒定律的重要應(yīng)用之一，在人教版普通高中教科書《物理》[1]（以下簡稱“新教材”）和普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理》[2]（以下簡稱“舊教材”）中，該部分內(nèi)容變動不太大，但是每一處變動都是有據(jù)可循、值得深思的。本文通過對比新、舊教材，深入思考新教材改編的原因和意圖，挖掘反沖中“反”的深層含義，明晰新課程改革的目標(biāo)，體會物理學(xué)的魅力所在。

1? ? 新、舊教材對比中的疑惑

1.1? ? 標(biāo)題與定義的變化

舊教材的標(biāo)題是“反沖運動 火箭”，新教材的標(biāo)題是“反沖現(xiàn)象 火箭”，“反沖”從“運動”變?yōu)榱恕艾F(xiàn)象”，這兩者有何區(qū)別？

另外，我們知道舊教材中對反沖的定義是存在一定問題的，而新教材并未在舊教材的基礎(chǔ)上進行修改，而是以炮彈為例，闡釋什么是反沖，“炮彈射出后以很大的速度向前運動，根據(jù)動量守恒定律，炮身必將向后運動。只是由于炮身的質(zhì)量遠大于炮彈的質(zhì)量，所以炮身向后的速度很小。炮身的這種后退運動叫作反沖。”[1]為何新教材避開對反沖下定義？

1.2? ? 課后練習(xí)題的變化

舊教材中課后“問題與練習(xí)”包含3個題目[2]，如圖1所示。

新教材中，將舊教材第1、2題的順序交換，并增加了一個以火箭為背景的題目（圖2中第3題）[1]。

可以看到，新教材中第1題的重要性得以凸顯，該題的設(shè)置是否具有特殊目的？

1.3? ? “火箭”的重要性

反沖是動量守恒定律的重要應(yīng)用之一，在生活中有很多反沖現(xiàn)象的例子，例如章魚的運動、炮彈發(fā)射、噴氣式飛機飛行、火箭發(fā)射等。但是，不論新、舊教材，標(biāo)題中都含有“火箭”，教學(xué)內(nèi)容都以火箭為主體進行了大量的分析和研究，新、舊課標(biāo)均對火箭的認識作出要求，且新教材新增了一個與火箭相關(guān)的題目，種種事實充分體現(xiàn)了火箭的重要性。為何反沖現(xiàn)象最重要的應(yīng)用是火箭？

2? ? 尋找反沖中“反”的本質(zhì)

針對以上發(fā)現(xiàn)，筆者重點研究新教材課后練習(xí)題中的第1題（圖3）[1]，通過分析該題，揣摩教材編者的改編意圖，解答新、舊教材對比過程中產(chǎn)生的疑惑。

根據(jù)舊教材必修一的同步教師教學(xué)用書，設(shè)置本題的目的是“為了說明應(yīng)用動量守恒定律時，各物體的速度必須是相對同一慣性參考系的速度”。筆者認為，本題最大的亮點是在不同參考系中，火箭與氣體的速度方向不一定都相反，會使人產(chǎn)生疑問“這是反沖嗎？到底什么是反沖？”從而進行深入思考，以便更加透徹地認識反沖現(xiàn)象。筆者淺見，本題的目的應(yīng)是引發(fā)學(xué)生的認知沖突，深入思考反沖的本質(zhì)，破除反沖現(xiàn)象中兩物體的速度方向一定相反的錯誤認識。反沖現(xiàn)象中分離的兩部分不一定“速度反向”，那么反沖中“反”的本質(zhì)是什么呢？

首先，思考反沖現(xiàn)象中還有哪些物理量的方向是相反的？羅列如下：相互作用力、加速度、速度變化量、動量變化量、動量變化率、沖量。

這些物理量中哪個是最為關(guān)鍵的？顯然是“力”。通過運用牛頓第二定律、動量定理等物理規(guī)律，可將所有物理量的“反”與“力的反”聯(lián)系起來，物理規(guī)律之間是如此和諧統(tǒng)一。究其根本，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，反向的力不一定導(dǎo)致反向的速度。速度及其他物理量都僅僅是表象，這也是前文討論的不能根據(jù)速度方向判斷是否為反沖現(xiàn)象的原因。

由此可見，盡管反沖是動量守恒定律的重要應(yīng)用之一，但反沖現(xiàn)象產(chǎn)生的根本仍是“力”。經(jīng)典力學(xué)在宏觀世界的“霸主地位”不言而喻，牛頓運動定律的指揮棒在反沖現(xiàn)象中體現(xiàn)得淋漓盡致。

3? ? 釋? ?疑

3.1? ? 反沖對“火箭”為何如此重要？

日常生活中，我們通過推、拉、扔等方式對其他物體施加力的作用從而改變物體的運動狀態(tài);車輛借助地面的摩擦力前行，游船借助水的作用加速，飛機借助空氣的浮力上升。仰望星空，浩瀚的宇宙空空如也，我們又可以借助什么獲得作用力來改變運動狀態(tài)呢？只有借助反沖現(xiàn)象。通過向某一方向以一定速度排除自身部分物質(zhì)獲得相反方向的作用力，從而改變自身的運動狀態(tài)。

憑借反沖，火箭通過噴氣獲得作用力不斷加速，直到將各種航天器送入太空中，航天器繼續(xù)利用反沖自如地改變運動狀態(tài)，實現(xiàn)變軌、降落、返航等復(fù)雜操作，人類的科技和文明得以大踏步地邁向宇宙空間，邁向星辰大海。

3.2? ? “運動”是什么？

在舊教材必修一的同步教師教學(xué)用書中，對運動的解釋是這樣的：按照辯證法的觀點，運動就是在任一時刻物體（質(zhì)點）既在某處又不在某處，“在某處”指質(zhì)點在該時刻有確定的位置，“不在某處”指質(zhì)點有離開所在位置的趨向，這一對矛盾的不斷產(chǎn)生和解決的過程就是運動。更簡潔的解釋是“物體的空間位置隨時間的變化”。

初、高中物理的學(xué)習(xí)中，我們認識了很多運動狀態(tài)，如靜止、勻速直線運動、勻變速直線運動、平拋運動、圓周運動，等等。如果對這些運動進行分類，最直觀的方式是根據(jù)運動軌跡分為直線運動與曲線運動，區(qū)別是力與速度是否共線;也可以按照合外力是否恒定分為勻變速運動和非勻變速運動。分類方式有多種，但是都與力有關(guān)，這是因為力是改變物體運動狀態(tài)的原因。實際上，運動狀態(tài)不同的原因是“力”不同，而運動狀態(tài)僅僅是表象。根據(jù)前面的分析，反沖實際上也是一種表象，因此采用“反沖現(xiàn)象”的表述更加合理、準(zhǔn)確，而一種現(xiàn)象，又如何下得了定義呢？

4? ? 教學(xué)案例設(shè)計

針對以上分析和感悟，筆者認為非常有必要設(shè)計一堂習(xí)題課幫助學(xué)生認識反沖的本質(zhì)，感悟經(jīng)典力學(xué)的魅力與物理學(xué)的和諧之美。通過設(shè)置認知沖突，利用三個核心問題引導(dǎo)學(xué)生自主挖掘反沖的本質(zhì)。以下是教學(xué)設(shè)計的思路：

環(huán)節(jié)一：設(shè)置認知沖突

通過例題1展現(xiàn)符合學(xué)生常規(guī)認知的反沖，學(xué)生處于認知舒適區(qū)。

例題1 某研究小組制作火箭模型，火箭與燃料的總質(zhì)量M=500 kg，當(dāng)火箭以v1=1000 m/s的速度飛行時，m=100 kg的燃料點燃后生成燃氣，從火箭噴口以速度v2=800 m/s在很短時間內(nèi)噴出。求：火箭噴氣后的速度v'1。

通過例題2讓學(xué)生分組選擇地面和噴氣前的火箭為參考系求解，發(fā)現(xiàn)以地面為參考系時火箭與噴出的氣體速度方向相同。

例題2 某研究小組制作火箭模型，火箭與燃料的總質(zhì)量M=500 kg，當(dāng)火箭以v1=1000 m/s的速度飛行時，m=100 kg的燃料點燃后生成燃氣，從火箭噴口以相對噴氣前火箭的速度u=800 m/s在很短時間內(nèi)噴出。求：火箭噴氣后的速度v'1。

核心問題1：這是反沖現(xiàn)象嗎？

組織學(xué)生討論，此時學(xué)生形成認知沖突，離開認知舒適區(qū)。

環(huán)節(jié)二：尋找反沖之“反”

核心問題2：還有什么物理量“反”了？

學(xué)生分組討論，找出該情境下方向相反的物理量并說明理由。

核心問題3：哪個物理量是最關(guān)鍵的？

學(xué)生分組討論，各抒己見，說明理由。最終統(tǒng)一觀點，“力”是最關(guān)鍵的物理量。

教師總結(jié)：根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，反向的力不一定導(dǎo)致反向的速度，速度僅僅是表象，反沖的“反”應(yīng)指“力的反”。

環(huán)節(jié)三：反沖之“反”的重要應(yīng)用價值

對比地球上和太空中的運動，認識到在太空中難以依靠他物獲得作用力改變自身運動狀態(tài)，只能借助反沖現(xiàn)象，通過向某一方向以一定速度排除自身部分物質(zhì)（一般是氣體）獲得相反方向的作用力，從而改變自身的運動狀態(tài)。

播放衛(wèi)星的發(fā)射、變軌、入軌視頻，突出通過向某一方向噴氣從而獲得反方向作用力的過程，體會反沖現(xiàn)象對宇宙探秘的重要應(yīng)用價值及物理學(xué)與生活、科技的緊密聯(lián)系。

環(huán)節(jié)四：感受物理學(xué)的和諧統(tǒng)一

在探究還有哪些物理量“反”的過程中運用了多種物理規(guī)律，初步體會到各個物理量、物理規(guī)律之間是相互聯(lián)系、相輔相成的。在此基礎(chǔ)上，通過例題3讓學(xué)生分組采用不同的物理規(guī)律解決問題，更進一步感受物理規(guī)律的和諧統(tǒng)一。

例題 3 某小組在探究反沖運動時，將質(zhì)量為m1的一個小液化氣瓶固定在質(zhì)量為m2的小模具船上，利用液化氣瓶向外噴射氣體作為船的動力。現(xiàn)在整個裝置靜止放在平靜的水面上，已知打開液化氣瓶后向外噴射氣體的對地速度為v1，如果在Δt的時間內(nèi)向后噴射的氣體的質(zhì)量為Δm，忽略水的阻力，小船所受氣體的平均作用力大小為F，則噴射氣體后，小船的速度是多少？

5? ? 小? 結(jié)

我們常說“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”，但不經(jīng)意間便會被現(xiàn)象所迷惑，而忘記尋找本質(zhì)。本以為反沖很簡單，卻在翻看教材中感到困惑良多，在“發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—實踐應(yīng)用”的過程中，筆者認識到自己在寬廣的物理世界前是多么渺小，薄薄幾頁紙，寥寥數(shù)句話，卻經(jīng)歷了漫長的思考才能領(lǐng)悟一二。教師為何要做終生的學(xué)習(xí)者，因為這幾本基礎(chǔ)物理學(xué)科的教材是終生思索不盡的。

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理選擇性必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010.（欄目編輯? ? 趙保鋼）