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
摘要
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。
例: (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A、B、C。B在左侧固定一轻弹簧(弹簧左侧挡板质量不计)。设A以速度朝B运动,压缩弹簧;当A、B速度相等时,B与C恰好相碰并粘接在一起,然后继续运动。假设B与C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:
l 机械能在哪个地方损失了?
l 损失之前具有什么能量?之后又具有什么能量?
l 损失之前是什么运动状态?各物体速度怎样?
l 损失之后是什么运动状态?各物体速度怎样变化?
l 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1:A球以速度V0与弹簧刚接触时。
状态2:A、 B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3:B与C求发生碰撞后,此时B、C共速而A以速度VAB运动。
状态4:A速度减为VA与弹簧分离。
过程1:A、 B压缩弹簧。
过程2:B、C碰撞。
过程3:弹簧恢复,A减速,B、C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。
例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, 。
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,。
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,。
图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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