《水动力学研究与进展》
鉴于高考选拔性考试的特点,试题因综合性和创新性而具有较大的难度,靠“题海战术”和建立尽可能完整的知识结构就想在高考中得高分,无疑是异想天开。要想冲出重围、崭露头角,势必要上升到方法论的高度。
一、深度理解物理规律
物理规律(包括物理定律、定理、原理、定则、法则、公式等)是各种物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化的规律,是物理学的核心。在物理深度学习中,必须借助分类(如图1所示)和比较的思维方法加强对物理规律的深度理解,形成积极的思维定式和认知策略。根据研究对象,将物理规律分为两大类,一类是研究质点的物理规律,另一类是研究质点系的物理规律。应用时,根据情境中的对象是物体还是系统,快速选择相应的物理规律。
(一)分类
图1
(二)比较
在理解物理规律时,要注意区别系统和外界、内力和外力。既要独立地弄清每一条核心物理规律的内涵和外延,也要系统地看待中学物理规律体系。例如,有意注意功能原理和机械能守恒定律的互补关系、功能关系和能量守恒定律的互补关系、动量定理与动量守恒定律的互补关系(如表1所示),才能在复杂、新颖的问题情境中快速准确地选择相应的规律解决实际问题而不至于混淆。
表1 物理规律间的互补关系知识内 容力与运动牛顿第二定律F合=ma物体物体的加速度与合力成正比,与质量成反比系统中学阶段不要求功与能量势能定理WG=-ΔEp物体重力做功等于物体重力势能的减少量动能定理W总=ΔEk物体合力做功等于物体动能的变化量系统中学阶段不要求机械能功能原理W其他=ΔE机系统除系统内重力或弹力以外的其他力做功等于系统机械能的变化量机械能守恒定律系统只有系统内重力或弹力做功,系统的机械能守恒功能关系W外=ΔE系统外力做功等于系统能量的变化量能量守恒定律系统某些形式能量增加的量与另一些形式能量减少的量相等冲量与动量 动量定理I合=Δp物体合力的冲量等于动量的变化量系统的动量动量定理系统合外力的冲量等于系统动量的变化量动量守恒定律系统合外力为零,则系统动量守恒
二、从不同视角对经典物理模型的比较研究
怎样才算掌握了物理规律呢?物理教育心理学家乔际平、邢红军等学者提出了如下几条标准。
(1)知道物理规律是怎样得来的;
(2)记住物理规律的文字、公式和图像描述;
(3)要明确物理公式中每个字母所代表的物理含义;
(4)要抓住表述规律的关键词语,例如,对楞次定律“阻碍”的理解;
(5)要明确物理规律的适用范围;
(6)了解物理规律的应用,并能运用物理规律解决有关问题。
其中第六条是关键,只有在具体的问题情境中能应用规律来解决问题,才算真正理解和掌握了规律。学完动量部分后,学生具备了从运动、能量和动量等不同视角解决物理问题的知识储备,但是在应用时一做就错,究其原因,往往搞不清楚研究对象是单个物体,还是几个物体组成的系统;搞不清楚该选择牛顿第二定律、动量定理、动能定理解答,还是该根据动量守恒、能量守恒列方程求解。通过实践,针对常见的经典的物理模型设置从不同的视角进行求解的学习任务,对于引导学生领会物理规律的内涵,区别相似物理规律的外延,可以起到积极的作用。下面以板块模型和子弹打击木块模型进行说明。
(一)板块模型
1.模型解读
木块和长木板组成的一个力学研究系统,分为初速度型和外力驱动型,即给木块或木板一个初速度或外力的作用,它们一起运动或出现相对滑动的情境,最终共速或木块从木板的一端滑离,木板的长度是一个重要的约束条件。板块模型是训练学生理解和灵活应用物理规律解决问题的好素材。是否会相对滑动,取决于动力与最大静摩擦力之间的关系;能否共速,取决于初始状态到共速过程的位移与木板长度之间的关系;板块系统动量守恒的条件是初速度型且地面光滑,否则不守恒。
2.案例分析
如图2所示,质量为M的小车置于光滑的水平面上,车的上表面粗糙,有一质量为m的木块以初速度v0水平地滑至车的上表面,若车足够长,则完成下列任务。
图2
教师设计以下任务。
【任务1】木块滑上小车时,分别对木块、小车进行受力分析并判断它们的运动情况。