完善动力学知识结构 提升科学思维素养

2021-12-08 22:54骆文洲
中学教学参考·理科版 2021年11期
关键词:科学思维动力学

骆文洲

[摘 要]高中物理动力学部分的知识广、方法多、探究深,故对学生的素养要求也比较高。有关动力学的新授课、复习课等,需要学生做好微观上的掌握——知识体系化,更需要做好宏观上的完善——知识结构化。文章通过研究动力学的典型问题、典型方法等的教学活动,为后续电磁学等知识的学习夯实基础,从而不断提升学生的科学思维素养。

[关键词]动力学;科学思维;静力学

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058(2021)32-0038-02

一、明确动力学问题类型,构建完整解题思路

动力学是力学的重点内容,它主要研究作用于物体的力和物体运动的关系。动力学在天体物理、热力学、电磁学、原子物理中都有重要应用。学生在学习动力学知识之前,运动学解决了“如何运动”的问题,静力学解决了“如何平衡”的问题,而动力学则是在运动学和静力学的基础上运用牛顿运动定律进一步分析和处理“力和运动关系”的力学问题。

因此,动力学问题概括起来有两大类型,其解题思路可用图1表示。

第一类问题是“知力求运动”,第二类问题是“知运动求力”,两类问题都是通过牛顿第二定律、运动学公式与中间“桥梁”(加速度a)进行联系的,因此,受力分析、运动分析是基础,而加速度的求解始终是关键的环节。

对于物体的受力情况,重点是对物体的受力要“按序分析”——外力、重力、弹力、摩擦力等,再结合力的合成、力的分解或正交分解等方法,求出合力,这样才能走向中间“桥梁”——加速度a。

对于物体的运动情况,重点是明确物体已知的运动状态参量有哪些(通常为五个中的一部分:初速度[v0]、末速度v、加速度a、时间t、位移x),再根据位移公式、速度公式等运动学公式进行“知三求二”,求出加速度,这样才能又走向中间“桥梁”——加速度a。

二、做透动力学经典问题,明晰常规解题步骤

在动力学问题的解决过程中,首先,要倡导对经典问题的研究,因为经典问题在学习中具有很强的典范性和代表性。其次,要倡导对经典问题的变式。因为变式手段变换了经典问题的非本质特征表现形式,可以更好地突出本质特征,从而让学生更好地掌握本质和规律。第三,要倡导对经典问题的复习,因为学习知识要符合人的遗忘规律,复习是记忆之母,巩固所学知识的最好方法就是科学有计划地复习。

根据上面的三个倡导,动力学问题的学习水平与其他知识一样,也可以用这样四个字作为代表:懂、会、熟、巧。巧,才是真懂,能从不同角度分析问题,能判断解法的优劣并顺利执行,能对问题进行比较全面的评价。下面以浙江省2021年1月选考物理试题第19题为例。

结合前面的分析不难看出,动力学问题的解题步骤可以用如图3所示的流程图清楚地表示出来。

需要指出的地方有二,一是步骤二中的“动力分析”,既非“受力分析”也非“运动分析”,而是两者的结合,因为研究对象的力学过程是由受力特点和运动状态共同决定的,体现了“力是改变物体运动状态的原因”;二是“求解讨论验证”中的“讨论验证”往往容易疏忽,讨论验证结果的过程既是对原来问题重新审视的过程,也是对解题是否成功进行评价的过程,因此求解后一定要学会品题——分析过程是否正确、结果是否合理等。

三、关注多对象、多过程,活化科学解题方法

动力学问题的解题思路不能固化,尤其是有多对象、多过程的动力学问题,在方法的选择和使用上要灵活选择、科学应用。

从研究对象角度看,动力學问题可能涉及多个对象,这类动力学问题便成为连接体问题,方法上常常使用整体法和隔离法。

[例2]如图4所示,质量为m的人坐在质量为M的三角架中,轻质细绳一端固定在三角架上,一端通过滑轮由人拉着。人用力F拉绳,使得人和三角架一起向上做匀加速直线运动,求经过t秒后人和三角架的位移。

分析:本题的关键还是求加速度a的大小。有多个研究对象时,解决连接体问题的基本方法是“有分有合找联系”,其中“分”指的是用隔离法,“合”指的是用整体法,“联系”指的是研究对象之间的共同特征,一般更多的是指加速度。

显然,应用整体法可以快速求得加速度的大小,而联立上述两式应用隔离法也可以求得加速度,但解题过程变得复杂了。然而,事物总是有两面性的,如果用整体法就不能求得人和三角架之间的正压力了,这也是整体法的劣势所在。由此可见,在使用整体法和隔离法求解动力学问题时,关键是根据实际情况灵活选择方法,做到既加快求解的速度,又提高求解的正确率。

从研究过程角度看,动力学问题可能涉及多个过程,这类动力学问题便成为多过程问题,方法上也常常使用“整体法”(全程法)“隔离法”(分段法)。

[例3]物体从距离倾角为30°的光滑斜面底端[10 m]处,以10 m/s的初速度沿斜面向上运动,求物体滑回斜面底端所用的时间。

分析:本题研究对象虽然只有一个,但过程不止一个,属于多过程的动力学问题。研究多过程问题的基本方法还是“有分有合找联系”,不同的是意义不一样了,其中的“分”指的是过程分段,“合”指的是过程合并,“联系”指的是相邻过程的联系——上一过程的末态就是下一过程的初态。特别要注意的是,两个过程的连接处,加速度可能突变,但速度不会突变,速度是联系前后两个阶段的桥梁。对于上述例题,由于斜面光滑,向上运动和向下运动具有相同的加速度,既可以用分段法求解,也可以用全程法求解。

【变式】若上述问题中斜面粗糙,还能继续用分段法、全程法吗?显然,由于斜面粗糙,向上和向下运动时物体将受到摩擦力作用,加速度大小改变了,因而只能用分段法了,列式如下:

可见,通过上述比较分析,动力学问题涉及多对象、多过程时,研究每一个对象(过程)的特征、寻找对象(过程)之间的联系是求解问题的关键。在后续“功和能”“动量和冲量”的学习中,应用动能定理、动量定理、能量守恒和动量守恒时,多对象、多过程的问题求解,也常应用类似的方法进行处理。

[   参   考   文   献   ]

[1]  中华人民共和国教育部.普通髙中物理课程标准(2017版)[M].北京:人民教育出版社,2018.

[2]  梁旭.如何确定素养目标和素养水平[J].物理教师,2018(12):2-5,9.

(责任编辑 易志毅)

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