陳 鈺

(海門市臨江新區(qū)實(shí)驗(yàn)初中 江蘇 南通 226100)

對(duì)于剛學(xué)物理的初中學(xué)生，思維仍具有經(jīng)驗(yàn)、具體形象等特點(diǎn)，這一點(diǎn)在他們認(rèn)識(shí)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系上表現(xiàn)得尤為突出.教學(xué)表明，初中學(xué)生由于錯(cuò)誤表象而直接導(dǎo)致了他們對(duì)力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)——力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，嘴上不承認(rèn)，但在思維意識(shí)中是根深蒂固的.利用傳統(tǒng)的教學(xué)手段，一時(shí)是很難消除他們這些錯(cuò)誤觀點(diǎn)的，或者說，要花費(fèi)很多氣力才可能糾正.而這塊知識(shí)內(nèi)容在義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知性目標(biāo)中偏偏又是處于較高的“認(rèn)識(shí)”和“理解”的水平[1].有鑒于此，找到好的方法去解決這個(gè)問題就顯得尤為重要.筆者認(rèn)為卡爾斯魯厄物理課程(簡稱KPK)中的流模型是一個(gè)不錯(cuò)的方法,這個(gè)課程是以實(shí)物型量為中心概念,用實(shí)物型量的流來構(gòu)建物理學(xué)各分支學(xué)科的.筆者從中受到啟發(fā)，在自己的教學(xué)中，利用KPK的水流模型，幫助學(xué)生構(gòu)建并形成了輔助理解物體做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的方法，取得了一定教學(xué)效果，故而下筆為文，與同行分享.

1 KPK利用水流模型解釋汽車平衡狀態(tài)

如圖1所示，一輛汽車在加速運(yùn)動(dòng).發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)地把動(dòng)量從大地傳給汽車.汽車行駛得越快，空氣阻力就越大，就有更多的動(dòng)量從汽車中流出.當(dāng)汽車到達(dá)某一速度時(shí)，從大地傳入的動(dòng)量剛好等于由于摩擦而流出的動(dòng)量，汽車的動(dòng)量不再增加,汽車沿水平路面勻速行駛.這種情況可以與水的情況比較，如圖2所示，這里水扮演著動(dòng)量的角色，帶有洞的水桶相當(dāng)于汽車，流入桶的水量相當(dāng)于汽車在進(jìn)動(dòng)量，漏水相當(dāng)于汽車在漏動(dòng)量，當(dāng)流出的量調(diào)節(jié)到等于流入的量時(shí)，水量平衡，代表汽車處于平衡狀態(tài)[2].

圖1 流入的動(dòng)量等于流出的動(dòng)量，汽車勻速

圖2 流入桶的水量等于從洞中流出的水量，桶中水量不變

受此啟發(fā)，筆者對(duì)水流模型進(jìn)行定規(guī)，使之變成輔助理解初中物理中“物體做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系”的方法.

2 對(duì)水流模型定規(guī)

2.1 水流模型與力和運(yùn)動(dòng)的對(duì)照

如圖3所示，桶表示物體；桶中水量表示物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(即速度)，水量變多、不變、減少表示物體加速、勻速、減速，沒有水表示物體靜止；進(jìn)水表示物體受動(dòng)力，漏水表示阻力，進(jìn)水和漏水的有無、變化表示動(dòng)力和阻力有無、變化.

圖3 水流模型

2.2 適用范圍

僅可分析物體做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系，包括兩方面：物體不受力(慣性定律)或受力平衡，保持靜止或以任意速度向任意方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)；物體在某個(gè)方向上受力不平衡，沿這個(gè)方向做加速或減速直線運(yùn)動(dòng).

2.3 基本類型

(1)已知物體豎直或水平受力及變化,分析這個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

(2)已知物體豎直或水平的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),畫出這個(gè)方向的受力.

2.4 分析問題的步驟

(1)受力分析：先豎直后水平.理由：豎直方向重力一定有，水平方向可能不受力，可能受摩擦力或其他力.

(2)明確豎直或水平方向上的動(dòng)力和阻力及其變化.

(3)將水流模型用到相應(yīng)方向分析運(yùn)動(dòng)情況.

3 典型問題分析

3.1 常規(guī)講法和水流模型的輔助講法

(1)慣性定律

常規(guī)講法：一切物體不受力時(shí)，靠自己的慣性維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，即原來靜止，保持靜止；原來運(yùn)動(dòng)，保持原有速度大小和方向做勻速直線運(yùn)動(dòng).要改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須靠外力.

水流模型的輔助講法：桶中不進(jìn)水也不漏水，靠桶本身就可以維持水量不變，即桶原來空的，還是空的,原來有多少水，還是有多少水.要改變桶中水量，必須靠進(jìn)水或漏水.

(2)二力平衡

常規(guī)講法：相互平衡的兩個(gè)力從相反的方向力圖改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于它們大小相等，它們的作用相互抵消了，所以物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變，即保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng).

水流模型的輔助講法：進(jìn)水等于漏水時(shí)，桶中水量不變，空桶或維持一定水量.

(3)二力不平衡

常規(guī)講法：相互不平衡的兩個(gè)力從相反的方向改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于它們的作用效果有大小之分，無法相互抵消，有凈剩效果，所以物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，做加速或減速直線運(yùn)動(dòng).

水流模型的輔助講法：進(jìn)水大于漏水，桶中水量增加；進(jìn)水小于漏水，桶中水量減少，最終漏光.

(4)受力分析

【例1 】(2016南通中考)如圖4所示，觀光纜車沿軌道斜向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，畫出車中重物A的受力示意圖．

圖4 受力分析一

常規(guī)講法：物體在豎直方向二力平衡，本來就可以以任何速度向任何方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)方向上不需受力.

水流模型的輔助講法：任意方向不進(jìn)水也不漏水，這個(gè)方向完全就可以保持水量不變.

【例2】如圖5所示，A物體放置在B物體上，A物體隨著B物體在外力F作用下，可能向右勻速、加速或減速，請(qǐng)分別畫出3種情況下物體A的受力．

圖5 受力分析二

常規(guī)講法：物體A在豎直方向受重力和支持力，水平方向，要受力，只能受一個(gè)摩擦力.若勻速，沒有摩擦力；若向右加速，受向右摩擦力；若向右減速，受向左摩擦力.

水流模型的輔助講法：物體A水平方向水量增加必須進(jìn)水，水量減少必須漏水，水量不變，無需進(jìn)水、漏水.

(5)變力問題

【例3】如圖6所示，物體在水平拉力F作用下沿水平地面向右做加速直線運(yùn)動(dòng)，若拉力F逐漸減小，物體速度如何變化?

圖6 變力問題一

常規(guī)講法：水平方向受力分析，物體受水平向右的動(dòng)力F,水平向左的滑動(dòng)摩擦阻力f(不變).開始時(shí)動(dòng)力F大于阻力f，物體向右加速.動(dòng)力F剛減小時(shí)，動(dòng)力F仍大于阻力f，物體還是會(huì)加速，當(dāng)動(dòng)力小到與阻力相同時(shí)，速度最大，動(dòng)力再小，小于阻力，物體就會(huì)減速，最終會(huì)停下來.

水流模型的輔助講法：水平方向漏水不變.開始時(shí)進(jìn)水大于漏水，桶中水量增加，逐漸調(diào)小水龍頭，因進(jìn)水仍大于漏水，桶中水量仍會(huì)增加，當(dāng)進(jìn)水調(diào)到與漏水相同時(shí)，水量最多，進(jìn)水再小，小于漏水，桶中水量減小，最終漏光.

【例4】(2014南通中考)如圖7所示，小物塊A和彈簧放在光滑的水平面上，彈簧左端固定于豎直墻面．向左移動(dòng)物塊A并壓縮彈簧至B處，靜止釋放物塊A，此后物塊的運(yùn)動(dòng)是( )

A．一直加速 B．一直勻速

C．先加速后減速 D．先加速后勻速

圖7 變力問題二

常規(guī)講法：水平面光滑，故水平方向無摩擦.壓縮彈簧至B處，釋放瞬間，水平方向就受向右的彈力(動(dòng)力)，在彈簧恢復(fù)形變的過程中，向右的彈力逐漸變小，但只受這個(gè)力，所以物塊向右加速.在彈力消失后，物塊速度最大.后因水平方向不受力，保持這個(gè)最大速度做勻速直線運(yùn)動(dòng).

水流模型的輔助講法：水平面光滑，故水平方向不會(huì)漏水，所以桶中水量不可能減少.一開始有減小的進(jìn)水,水量一定增加，后來水龍頭也關(guān)了，桶中水保持最多不變.

【例5】(2012黃石中考)如圖8所示，一個(gè)小球從豎直立在地面的輕彈簧的正上方某處自由下落，接觸彈簧后將彈簧壓縮至最短，設(shè)在彈簧被壓縮的過程中小球的速度為v，小球受到彈簧彈力為F，則( )

A.F不斷變小，v不斷變小

B.F先變小后變大，v不斷變小

C.F不斷變大，v先變大后變小

D.F先變小后變大，v先變大后變小

圖8 受力問題三

常規(guī)講法：小球從上方落下，起先只受重力(動(dòng)力)，做加速運(yùn)動(dòng).碰到彈簧后，向上的彈力(阻力)產(chǎn)生，但在短時(shí)間內(nèi)，還是小于重力，小球還要向下加速，當(dāng)彈力大到跟重力一樣時(shí)，速度最大，彈簧再壓縮，小球所受向上彈力超過重力，小球接下來的表現(xiàn)是減速,至最低點(diǎn)速度為零.

水流模型的輔助講法：整個(gè)過程中，自來水龍頭一直開著，且給桶的進(jìn)水不變.一開始，沒有漏水，桶中水量增加，慢慢開始漏水，由于漏水少，水量仍會(huì)增加，當(dāng)漏水增加到與進(jìn)水相同時(shí)，桶中水量最多，漏水繼續(xù)增加，超過進(jìn)水，桶中水量會(huì)逐漸減少，直至漏光.

3.2 評(píng)析

由于學(xué)生頑固的錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)觀的影響以及力概念的抽象，用力、慣性來分析物體運(yùn)動(dòng)，雖清晰，但仍難以克服那些錯(cuò)誤想法.比如：學(xué)了慣性定律后仍會(huì)出現(xiàn)“沒有力，物體不能運(yùn)動(dòng)”“力全部消失后物體會(huì)立刻停下來”等觀點(diǎn)；對(duì)二力平衡與不平衡的理解不穩(wěn)定，時(shí)而認(rèn)為“二力平衡”，時(shí)而認(rèn)為“一力平衡”，時(shí)而又把“不平衡當(dāng)成平衡”等；受力分析時(shí)，水平方向往往多畫一些莫名其妙的力；在變力問題中，“力變小或遇到阻力后，物體會(huì)立刻減速”“上升的物體不受拉力后，會(huì)立刻下落”是普遍的想法，學(xué)生根本沒有分階段分析運(yùn)動(dòng)的意識(shí). 用水流模型去輔助理解這些問題，就會(huì)使這些問題變得簡單易懂，因?yàn)樗髂Ｐ唾N近生活，具體形象，符合初中學(xué)生思維.學(xué)生接受了水流模型的教學(xué)之后，正確的運(yùn)動(dòng)觀變得“天經(jīng)地義”了,且分階段分析運(yùn)動(dòng)的習(xí)慣也逐漸養(yǎng)成.

4 學(xué)生表現(xiàn)

現(xiàn)以學(xué)生用水流模型解決變力問題為例，感受這種方法的教學(xué)效果.

【例6】如圖9所示，小明在做模擬“蹦極”的小實(shí)驗(yàn)，一根橡皮筋一端系一個(gè)小石塊，另一端固定在A點(diǎn)，B點(diǎn)是橡皮筋不系小石塊自然下垂時(shí)下端所在的位置，C點(diǎn)是小石塊從A點(diǎn)自由釋放后所能達(dá)到的最低點(diǎn)，試分析小石塊從上到下，再從下到上整個(gè)過程中的運(yùn)動(dòng)情況.

圖9 學(xué)生分析

某學(xué)生的表述如下( 該學(xué)生在圖中添了D位置)：

一個(gè)小石塊從A點(diǎn)開始下落，重力是動(dòng)力，開始進(jìn)水,在A→B這一段，沒有拉力，所以沒有漏水，做加速運(yùn)動(dòng)，B→D這一段，拉力(阻力)產(chǎn)生，但漏水小于進(jìn)水，所以仍做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下落到D點(diǎn)時(shí)，二力平衡，漏水等于進(jìn)水，此時(shí)小球速度最大，小球繼續(xù)下落，此時(shí)漏水大于進(jìn)水，做減速運(yùn)動(dòng)，直到最下方的點(diǎn)C，速度為零；小石塊開始反彈，此時(shí)拉力為動(dòng)力，開始進(jìn)水大于漏水，向上做加速運(yùn)動(dòng)，再次到達(dá)D，進(jìn)水等于漏水，速度最大，繼續(xù)向上，進(jìn)水小于漏水，所以小石塊做減速運(yùn)動(dòng)，直到最高點(diǎn)，速度減為零.總而言之，無論是下降還是反彈，小球速度總是先增大后減小.

從這個(gè)表述可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生已將水流模型與力運(yùn)動(dòng)融為一體，不分彼此，并關(guān)注到了整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程各個(gè)階段,理解清晰.類似的，還有學(xué)生在分析“紙錐”下落(或雨滴下落)時(shí)，同樣也出現(xiàn)了諸如“若再加速，阻力會(huì)更大，漏水更厲害，水會(huì)變少，會(huì)減速，又加速，又減速，矛盾，只能不加也不減了”的話語.

學(xué)生利用水流模型順利克服自己頭腦中錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)觀，自覺而較深刻地理解了正確的運(yùn)動(dòng)觀，在經(jīng)歷解決物體做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的諸多問題的教學(xué)實(shí)踐中，逐步將水流模型內(nèi)化為自己的一種能力.學(xué)生表示喜歡這個(gè)模型.

總之，水流模型，不僅可以有效地克服初中學(xué)生頭腦中根深蒂固的錯(cuò)誤表象，切實(shí)能幫助他們理解和解決物體做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的知識(shí)內(nèi)容，還可以使學(xué)生的思維由經(jīng)驗(yàn)型向理論型轉(zhuǎn)化，輔助抽象思維的培養(yǎng)，進(jìn)一步提高學(xué)生良好的思維品質(zhì).拋磚引玉，讀者可以試試將水流模型用到其他例子，觀察教學(xué)效果，甚至可將其推廣到解決一般的力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系上去,期待新的研究成果.

參 考 文 獻(xiàn)

1 中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版).北京：北京師范大學(xué)出版社, 2015.16

2 F. Herrmann. 德國卡爾斯魯厄物理課程·中學(xué)物理1.陳敏華, 譯. 上海：上海教育出版社, 2007.58～59