郭賢框
【摘要】論文涵蓋了數(shù)學(xué)、物理學(xué)領(lǐng)域中的力學(xué)知識和工程領(lǐng)域的坡道設(shè)計相關(guān)知識,并得出其數(shù)學(xué)原理和物理知識及人生感悟。
【關(guān)鍵詞】神奇的線;最速曲線;數(shù)學(xué)原理;設(shè)計制作;生活中運用
走哪條線快?要怎樣的曲線才是最快到達呢?學(xué)了那么多年幾何,“兩點之間線段最短”大部分學(xué)生都知道這個道理。但在下圖中的實驗中,同學(xué)們是不是覺得小鋼球在距離最短的斜坡上必將一馬當(dāng)先率先抵達終點?即小鋼球走直線快還是走曲線快?在現(xiàn)實生活中又有哪些應(yīng)用呢?為此,我在教學(xué)中,會讓學(xué)生通過親自動手實驗,嘗試設(shè)計不同的曲線軌道,并進行對比實驗結(jié)果,在這些過程中就充分結(jié)合了數(shù)學(xué)、物理學(xué)、建筑學(xué),既能充分激發(fā)孩子動手動腦的興趣,又能把數(shù)學(xué),物理等學(xué)科知識巧妙地結(jié)合到這個過程中。
這個問題我們是否可以借助物理、數(shù)學(xué)的知識來解決呢?那么接下來我將12位學(xué)生分為四組,分組討論和設(shè)計,看看同學(xué)們有什么好的辦法?小組開展設(shè)計制作活動進行實驗驗證:
一、學(xué)生分四組借助老師提供的材料,先讓學(xué)生討論并設(shè)計解決上述問題的方案并執(zhí)行制作;(各實驗小組進行設(shè)計和制作時,需按下面中的A、B、C、D項要求來操作。其中B、材料選擇及制作要求;C、比賽細則; D、比賽場地;這三項見已印發(fā)給同學(xué)們的資料來進行。)
A.項目概述
參賽者以小組形式參賽,利用一節(jié)課的課堂時間,使用老師提供的材料制作一條小鋼珠球最快到達底部的軌道線,制作完成后,以保證小鋼珠球在下滑過程中能緊貼軌道,且要盡量減少摩擦,做到基本無阻力和平穩(wěn)的運動為標(biāo)準(zhǔn),到達底部用時越短,則分值越高。
二、在規(guī)定時間完成后,由裁判組對各實驗小組進行計時打分
三、最后由老師用課件視頻和事先制作好的作品進行演示。
實驗結(jié)果分析:
從實驗現(xiàn)象看到,雖然兩點之間線段最短,但是沿曲線運動的小球反而先到達了底部。這是為什么呢?兩點之間的曲線有無數(shù)條,但要怎樣的曲線才是最速降線呢?原因是:最速曲線的形狀為擺線曲線,由物理重力加速和動能與勢能轉(zhuǎn)化知識可知,起始近乎垂直加速,讓物體獲得了快速通過后半程水平位移的能力,平均速度最快,。
實驗結(jié)論:通過這個實驗,我們還發(fā)現(xiàn)形如鐘擺運動軌跡的曲線(簡稱擺線或旋輪線)才是最快到達的,才是最速曲線。而且還可以進一步發(fā)現(xiàn),在這種曲線上運動,雖然出發(fā)點不同,但同時出發(fā)后都能同時到達目的地。因此,最速曲線又叫等時曲線。
特別地:最速曲線的公式可以用數(shù)學(xué)上的微積分和費馬定理等知識、物理能量守恒定律等知識來推導(dǎo)。
如左圖中,我國古代建筑的屋頂?shù)那€就十分接近最速曲線,這樣可以讓雨水以最快的速度流下,這樣同時說明古人就具有令人驚嘆的智慧。又比如,在更加追求速度與激情的極限滑雪和滑板運動中,我們往往看不到直道。
此外糧食倉儲物流的運送管道、小朋友的滑梯等均設(shè)計為最速曲線,這樣就可以在運輸和玩耍等方面起到更好的作用。
雖然好像跟課本數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容有點脫勾,但我讓學(xué)生們運用所學(xué)數(shù)學(xué)知識去實際操作和設(shè)計去驗證各種可能最快的曲線,從而了解最速降(曲)線、等時曲線數(shù)學(xué)問題;了解最速曲線涉及了數(shù)學(xué)中擺線曲線和力學(xué)中的重力加速等關(guān)系;了解古人如何設(shè)計屋頂排水等等生活中問題。還知道兩點間線段最短但不等于速度最快關(guān)系。同時,也是最重要的一點,我讓學(xué)生收獲了一個人生觀啟迪:從起點到終點,小球一直看著終點的目標(biāo),自始至終都是朝著自己的目標(biāo)前行,即使途中有短暫地偏離方向也不放棄自己所追求的終點,而恰恰是這種堅持與執(zhí)著成就了最快抵達目的地的捷徑。尼采曾說:一切美好的事物都是曲折地接近自己的目標(biāo),一切筆直都是騙人的。業(yè)務(wù)有障礙,事業(yè)有起伏,人生有曲折,無論何時何地,我們都要不忘初衷。只有不忘記自己最初的想法,才會找對人生的方向,才會堅定我們的追求,才能有始有終地去完成自己的夢想。那些看似離目標(biāo)最遠的路,未必是最慢的。
【本文系廣東省教育研究院(新時代廣東省中小學(xué)幼兒園科創(chuàng)和STEM教育課程教材構(gòu)建與實施)教改實驗學(xué)校課題“基于STEM視域下,科技活動校本課程開發(fā)建設(shè)”成果(證書編號:GDJY-2020-Aa-137)】