安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)(231551) 鮑康宏

由于初中物理綜合題對(duì)學(xué)生的思維能力具有一定的挑戰(zhàn)性，特別是一些抽象的物理過程很難通過理論推理、抽象分析這一層面解決，如何巧妙構(gòu)建物理模型，將綜合問題實(shí)驗(yàn)化，在實(shí)驗(yàn)過程中凸顯其關(guān)鍵特征，使核心因素可視化，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，加深對(duì)物理概念和規(guī)律的理解與應(yīng)用，形成可能的解決問題的路徑。筆者結(jié)合自己的教學(xué)實(shí)踐，列舉力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的典型問題和家庭電路應(yīng)用題各2例進(jìn)行分析。

1 構(gòu)建可視化力學(xué)模型，凸顯力與運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)鍵特征

初中物理教學(xué)中的牛頓第一定律是教學(xué)的重點(diǎn)知識(shí)，也是難點(diǎn)知識(shí)，由此得出力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)原因的科學(xué)論斷，這是我們?cè)趶?fù)習(xí)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系知識(shí)點(diǎn)的總基調(diào)。同一條直線上物體受到的合力與物體的方向運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系如圖1所示。

1.1 以蹦極運(yùn)動(dòng)為藍(lán)本構(gòu)建模型，在可視化實(shí)驗(yàn)中凸顯關(guān)鍵特征

蹦極，是近來新起的一項(xiàng)很刺激的戶外休閑運(yùn)動(dòng)。跳躍者站在很高的臺(tái)上，把一根很長(zhǎng)的彈性長(zhǎng)繩一端固定在高臺(tái)上，另一端綁在跳躍者的腳踝部，足以使跳躍者在空中享受幾秒鐘的“自由落體”。當(dāng)人體落到離地面一定距離時(shí)，橡皮繩被拉開、繃緊、阻止人體繼續(xù)下落；當(dāng)人到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，彈性長(zhǎng)繩再次收縮，人被拉起，隨后又下落，這樣反復(fù)運(yùn)動(dòng)，直到人最終靜止在某一高度。出題者在考查學(xué)生分析整個(gè)過程中(若不考慮運(yùn)動(dòng)中空氣阻力)跳躍的動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性繩的彈性勢(shì)能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化情況。關(guān)于這類物理應(yīng)用題，初中生在理解上有相當(dāng)大的難度，因?yàn)闋可娴哪芰款愋洼^多，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)顧此失彼的現(xiàn)象?？此剖悄芰靠疾轭}，其實(shí)可以運(yùn)用力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系規(guī)律找到問題突破口。

由于蹦極運(yùn)動(dòng)的特殊性，不可能讓學(xué)生親身體驗(yàn)，要想將其整個(gè)過程在實(shí)驗(yàn)室“再現(xiàn)”卻是有可能的。筆者建構(gòu)簡(jiǎn)化的“蹦極”模型，在簡(jiǎn)化后的示意圖中盡可能忽略次要因素，凸顯其運(yùn)動(dòng)中如圖2所示，將蹦極運(yùn)動(dòng)過程分為幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：O點(diǎn)是起跳點(diǎn)，A點(diǎn)為彈性長(zhǎng)繩自然伸直時(shí)跳躍者位置，B點(diǎn)為彈性繩伸長(zhǎng)后繩上拉力與跳躍者重力大小相等位置，C點(diǎn)為跳躍者到達(dá)的最低位置。依據(jù)這個(gè)物理過程，筆者帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室“重現(xiàn)”整個(gè)過程。

受力的重要特征，使實(shí)驗(yàn)過程關(guān)鍵特征可視化。

1.1.1 器材和制作過程

(1)量程為0～2 N的同種規(guī)格型號(hào)的演示測(cè)力計(jì)2只、鐵架臺(tái)2副、重0.5 N同型號(hào)鉤碼4塊、PVC塑料板1塊、A4復(fù)印紙若干。

(2)組裝好2副鐵架臺(tái)并排放在桌面上，在其豎桿前豎立起PVC塑料板做背景墻(如圖3所示)，將1只演示測(cè)力計(jì)豎直掛在一只鐵架臺(tái)橫桿上，拆下另1只演示測(cè)力計(jì)內(nèi)帶掛鉤的彈簧(以下稱輕彈簧)，將其上端懸掛在另1鐵架臺(tái)橫桿上，調(diào)節(jié)橫桿高度，使兩彈簧的指針在同一水平線上(輕彈簧用紅鋁片做成細(xì)長(zhǎng)指針，醒目)。用輕彈簧模擬“蹦極”過程，完好的演示測(cè)力計(jì)起到對(duì)照作用。

1.1.2 模型組建和演示過程

(1)塑料板上標(biāo)注好刻度線；①在圖3中,將不掛鉤碼時(shí)的測(cè)力計(jì)和輕彈簧指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的水平線標(biāo)記在塑料板上，稱為“最高點(diǎn)”；②分別將2個(gè)鉤碼加掛在測(cè)力計(jì)和輕彈簧掛鉤下靜止后，鉤碼在豎直方向受到一對(duì)平衡力作用，此時(shí)2指針?biāo)诘乃骄€標(biāo)記在塑料板上，稱為“平衡點(diǎn)”；③兩手分別豎直向下的力拉動(dòng)測(cè)力計(jì)和輕彈簧，當(dāng)測(cè)力計(jì)示數(shù)為2.0 N時(shí)，2指針?biāo)诘乃骄€標(biāo)記在塑料板上，稱為“最低點(diǎn)”。將測(cè)力計(jì)刻度板上的刻度線復(fù)印在紙條上，豎直貼在靠右的塑料板上。其與蹦極模型對(duì)照見表1。

表1 蹦極模型和彈簧模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

(2)演示時(shí)，用手輕托起輕彈簧下的鉤碼，讓其在最高點(diǎn)與最低點(diǎn)兩水平線之間來回振動(dòng)。根據(jù)彈簧測(cè)力計(jì)工作原理可知，在一定范圍內(nèi)，彈簧的伸長(zhǎng)量與所受的拉力成正比。①指針在“平衡點(diǎn)”時(shí)，鉤碼在豎直方向上受重力G和彈簧拉力F，是一對(duì)平衡力F=G；②當(dāng)指針在平衡點(diǎn)上方時(shí)，彈簧伸長(zhǎng)量小于在平衡點(diǎn)處的伸長(zhǎng)量，彈簧拉力F1G,此時(shí)鉤碼向上運(yùn)動(dòng)為加速，向下運(yùn)動(dòng)為減速。

(3)在物體質(zhì)量一定時(shí)，根據(jù)鉤碼的運(yùn)動(dòng)速度的變化，很容易判斷出鉤碼的動(dòng)能變化；同一彈性物體，彈性勢(shì)能大小與其形變的大小有關(guān)。鉤碼在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的各個(gè)物理量的變化也就非常清楚，見表2。

表2 彈簧加掛的鉤碼在一個(gè)周期內(nèi)振動(dòng)的各個(gè)物理量的變化情況

通過構(gòu)建彈簧模型，將蹦極模型與彈簧測(cè)力計(jì)受力進(jìn)行對(duì)照，鉤碼在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)所受合力與運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程可視化。使用這一思路同樣可以輕松解決在水平面上簡(jiǎn)諧振動(dòng)的彈簧推動(dòng)物體的受力、速度和機(jī)械能變化情況，如圖4所示。因此，通過建立模型，讓學(xué)生的思維尋找到突破點(diǎn)，而且降低了思維的難度，充實(shí)了思維的內(nèi)涵。

1.2 構(gòu)建可視化模型，凸顯上浮物體的關(guān)鍵特征

1.2.1 問題的提出

在浮沉章節(jié)復(fù)習(xí)課中，通過對(duì)浮力和重力的分析比較判斷物體的浮與沉。在實(shí)驗(yàn)操作中，學(xué)生喜歡探究那些在液體中肯定下沉的物體(如石塊、鐵塊等)的浮沉情況，對(duì)一些“輕質(zhì)”物體的浮力大小以及浮沉情況只有在計(jì)算題中才出現(xiàn)?？招奈矬w的浮力能簡(jiǎn)單得測(cè)出來嗎？

1.2.2 巧妙構(gòu)建模型，使上浮過程受力情況可視化

筆者根據(jù)定滑輪可以改變施力的方向的特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，建立模型，專門測(cè)量這些“輕質(zhì)”物體的浮力大小。

如圖5所示，將定滑輪的外框用支架固定在容器靠下側(cè)內(nèi)壁，用細(xì)線系好物重為G的空心物體，繞過定滑輪，向容器注水，細(xì)線另一端用彈簧測(cè)力計(jì)沿豎直方向向上緩慢拉動(dòng)，發(fā)現(xiàn)測(cè)力計(jì)示數(shù)(記為F拉)開始增大，物塊浸沒后示數(shù)不變，空心物體一直受到豎直向上浮力為F浮，豎直向下重力為G、細(xì)線對(duì)物體拉力為T,根據(jù)定滑輪不省力，只改變施力方向的特點(diǎn)，有F拉=T，因此，空心物體在三力作用下處于平衡狀態(tài)，得出：F浮=G+T=G+F拉。因此，實(shí)驗(yàn)探究中只要讀取繞在滑輪的測(cè)力計(jì)對(duì)浸在液體中的空心物體的拉力和物體的重力，就能計(jì)算出其受到的浮力大小。

由逆向思維可知：假設(shè)物塊在液體深處時(shí)，突然撤走測(cè)力計(jì)的拉力(如用剪刀剪斷測(cè)力計(jì)下的細(xì)線)，則T=0。此時(shí)，浸沒在水下的物塊受到豎直向上浮力F浮和重力G，由于F浮>G，物塊受到的合力豎直向上，物塊加速上升；當(dāng)物塊露出液面時(shí)，物塊排開液體的體積減小，浮力也隨之減小，直至浮力等于重力時(shí)，物塊運(yùn)動(dòng)速度最大，繼續(xù)上浮至最高點(diǎn)，然后來回振動(dòng)幾次后靜止，處于漂浮狀態(tài)。通過模型組件，能將空心物體在液體任何深度受到的浮力量化，建立浮力隨浸入液體深度的函數(shù)圖像，如圖6所示，使實(shí)驗(yàn)過程可視化。

2 構(gòu)建可視化家庭電路模型，凸顯實(shí)驗(yàn)過程的關(guān)鍵特征

2.1 建構(gòu)模型，凸顯動(dòng)態(tài)電路的可視化

電學(xué)測(cè)試題：傍晚用電高峰時(shí)，家里的電燈較暗，而在深夜時(shí)開燈卻比較亮，請(qǐng)你解釋其中的道理。教師在對(duì)待這樣的應(yīng)用題，首選是運(yùn)用串并聯(lián)電路規(guī)律和歐姆定律進(jìn)行理論分析，關(guān)鍵因素很難形象化，學(xué)生難以理解。筆者從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，運(yùn)用數(shù)字電流表和數(shù)字電壓表組裝家庭電路模型進(jìn)行探究。

表3 模型圖中的開關(guān)依次閉合時(shí)的電流表和電壓表的示數(shù)和等效阻值

(3)在6只燈泡同時(shí)接通時(shí)，其等效電路如圖7中虛線框所示，記為R總，此時(shí)，整個(gè)電路可以看成輸電線R線和家庭總負(fù)載R總串聯(lián)。由U=IR得，輸電線上分得電壓增加，家庭負(fù)載分得電壓減少。所以燈泡實(shí)際電壓低于額定電壓，也就是傍晚用戶電器使用數(shù)目多，家里的電燈較暗；反之，深夜時(shí)家庭電器使用數(shù)目減少，家庭總負(fù)載R總增大，燈泡的實(shí)際電壓增大，亮度增大。

2.2 添加故障因子，自制模型探究零火線通斷的檢查

圖8中的家庭電路故障題，是初中學(xué)生常遇到的。教師雖然進(jìn)行理論分析，學(xué)生仍是云遮霧繞的。筆者首先組裝電路模型，再將模型電路接入家庭電路中，特意在火線和零線電路中分別接入開關(guān)S1、S2(分別在各自電線的任意一位置)，分別討論火線、零線上該位置的通與斷和燈絲通斷的各種情況下,測(cè)電筆氖管是否發(fā)光。

表4 火、零線通斷和燈絲通斷各種情況下測(cè)電筆氖管的發(fā)光情況

通過以上各種情況下的探究發(fā)現(xiàn)：①燈絲完好的情況下，只要火線某處斷開，從斷點(diǎn)到燈泡直至零線對(duì)地電壓為0，測(cè)電筆氖管都不發(fā)光(與零線、燈絲是否斷開無關(guān))；②燈絲完好的情況下，若只有零線斷開，則從斷點(diǎn)到燈泡直至火線，測(cè)電筆氖管都發(fā)光，其余部分氖管不發(fā)光；③電線完好的情況下，若只有燈絲斷開，則從燈泡螺旋套到零線電路所有部分測(cè)電筆氖管均不發(fā)光，其余部分氖管發(fā)光。由逆向思維可以根據(jù)氖管發(fā)光判斷電路通斷，家庭電路故障判斷也一目了然。

3 結(jié)束語

模型是智慧的結(jié)晶，模型也是打開未知世界的鑰匙。針對(duì)初中學(xué)生以形象思維為主，并且正在向抽象思維過渡的認(rèn)知特征，建構(gòu)科學(xué)模型是處理物理問題的基本方法，教師一定要善于在模型建構(gòu)的過程中對(duì)具體物理問題進(jìn)行分步拆解分析。使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化、生活化；抽象問題可視化、具體化。調(diào)動(dòng)學(xué)生的各種感官，在可視化模型建構(gòu)過程的創(chuàng)新探究實(shí)驗(yàn)中凸顯知識(shí)的關(guān)鍵特征，突出實(shí)質(zhì)性的核心內(nèi)容，既可以降低思維的臺(tái)階，也能消除學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的畏難情緒，培養(yǎng)學(xué)生融會(huì)貫通的能力，激發(fā)學(xué)生解決問題的強(qiáng)烈愿望。