浅谈物理思维的培养——以物体运动中的物理状态与物理过程关系辨析为例

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游德锐

贵州省铜仁第一中学

摘要

本文主要对物体运动过程中的物理状态与物理过程的关系辨析来实现物理学习困难的突破。文中对几个典型的物理过程惊醒剖析,使物理过程与状态清晰地呈现出来,大大的简化了物理学习难度。


关键词

物理过程 物理状态

正文

 一、在某些物理作用过程中,因为时间极短,学生往往是将其作用过程直接忽略,从而导致使用规律解题时出现严重错误。

  (新课标全国二卷)如图所示,光滑水平直轨道上有三个质量均为m的小球ABCB在左侧固定一轻弹簧(弹簧左侧挡板质量不计)。设A以速度QQ图片20230604132237.pngB运动,压缩弹簧;当AB速度相等时,BC恰好相碰并粘接在一起,然后继续运动。假设BC碰撞过程时间极短。求从A开始压缩弹簧直至与弹簧分离过程中:

1)整个系统损失的机械能。

2)弹簧被压缩到最短时的弹性势能。

解:本题运动过程较为复杂,为了帮助学生理清运动过程,我们可以设置一系列问题:

机械能在哪个地方损失了?

损失之前具有什么能量?之后又具有什么能量?

损失之前是什么运动状态?各物体速度怎样?

损失之后是什么运动状态?各物体速度怎样变化?

怎样求出损失之前各物体的速度与损失之后各物体的速度?

在这个问题中因为碰撞时间非常短,学生往往会将碰撞过程看成是一个状态,从而将基本物理过程分析错误。实际上本题可分为四个状态与三个过程,运动过程示意图如下:

 

状态1A球以速度V0与弹簧刚接触时

状态2AB球以共同速度VAB将弹簧压缩最紧又刚好与C球接触而没有碰撞时。

状态3BC求发生碰撞后,此时BC共速而A以速度VAB运动。

状态4A速度减为VA与弹簧分离。

过程1AB压缩弹簧。

过程2BC碰撞。

过程3:弹簧恢复,A减速,BC加速。

实际上,每一个过程都具有初、末两个状态,过程与状态就这样联系起来了。

二、有些运动过程非常复杂,我们需要通过加速度或速度的突变来辅助分析,而加速度与速度的突变也是许多问题的临界状态,在实际问题中也很难把握,我们来看下面的例子。

 3:固定在地面上的倾角为θ、长为2L的光滑的斜面,其下端固定一根劲度系数为K、原长为L的弹簧,弹簧与斜面平行,在斜面顶端有一质量为m的小球静止释放,如图5。       

求:弹簧压缩过程小球在那个位置速度最大?

 图片1.png

                            5

这个问题学生容易出现的一个错误为:小球在与弹簧接触时速度最大。想要这个问题就很容易得到简答,我们可以将弹簧被压缩过程分为三个过程和四个状态来分析,。

状态1:小球释放瞬间,速度位零,如图6

状态2:小球运动到弹簧原长刚好与弹簧接触,如图7

状态3:弹簧弹力大小等于重力下滑分力时,此时小球速度最大,加速度为零,如图8

状态4:小球速度减小为零,弹簧压缩量最大,如图9

过程1:介于第1个状态到第2个状态之间,小球作匀加速直线运动,  QQ图片20230604132340.png

过程2:介于第2个状态到第3个状态之间,随着弹簧压缩量增大,弹力增大,小球加速度减小,直至弹力等于小球下滑分离时加速度为零,速度最大,QQ图片20230604132348.png

过程3:介于第3个状态与第4个状态之间,弹簧形变量越来越大,弹力大于重力下滑分力,小球做加速度增大的减速运动,直至速度减小为零,QQ图片20230604132357.png


 QQ图片20230604132413.png

 6(状态1)         图7 (状态2)        图8 (状态3)     图9(状态4

   

     这在个问题中速度最大应该出现在状态三,因为第一个过程与第二个过程都是加速,第三个过程减速。

总结:分析清楚物理过程是解决问题至关重要的一步,恰恰是这一步难倒很多同学;同时,通过对物理过程的分析也能锻炼学生的建模能力、抽象能力、逻辑思维能力等。

想要让学生在遇到物理问题时弄清物理过程应该注意以下几点:一、有些过程作用时间虽然短,但是不能将其看作一个简单的状态,比如碰撞。二、平时分析时尽量要让学生搞清楚一些基本的临界状态,理清楚每个运动过程都有出状态和末状态,而每一个状态都是连接上一个过程和下一个过程的桥梁。

 

 

 

 


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