高中物理“位移”概念的教學要領

樊偉新

(浙江上虞東關中學,浙江上虞 312352)

“位移”是人教版高中《物理》必修1第 1章“運動的描述”第2節中的一個力學基本概念,也是構建其他概念的元概念.它是指用來描述物體位置變化的物理量,是學生學習高中物理遇到的第一個矢量.位移概念的理解直接影響著后續概念的學習,如速度、平均速度、瞬時速度的理解,因它們的基本定義均為位移除以時間;另外,勻變速直線運動位移與時間的關系;曲線運動中物體的位移及位移的合成與分解;功定義中力的方向上的位移;簡諧運動中振動物體對平衡位置的位移等等都需要對位移概念有深刻的理解.

那么如何對位移概念進行有效教學呢?

筆者聽課時有意聽位移一節的教材處理及教法,教師們普遍的處理方式是:先利用影片、圖片等舉一些生活中物體運動的具體例子,然后結合教材“圖1.2-2不論通過什么路線從北京到重慶,位置變化都是一樣的”這一圖片,概括出位移的概念,指明位移是個矢量,然后應用位移概念進行解題訓練.這樣的教學方式“按步就班”使教師少掉很多麻煩,但卻失去了培養學生創造思維的機會.當然也就背棄了高中物理新課程標準在課程目標上的基本理念:“高中物理課程應促進學生自主學習,讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考.通過多樣化的教學方式,幫助學生學習物理知識與技能,培養其科學探究能力,使其逐步形成科學態度與科學精神.”通過筆者對學生的調查,發現學生仍存在一些疑問:第一,盡管教師舉了一些實例,學生仍感到位移來得突然,難以內化為學生的自主知識;第二,學生在初中已有了路程的概念,且路程與實際生活密切結合,為什么還要引入位移?第三,為什么將定義位移為有向線段?造成這些困惑的主要原因筆者認為在于教師對教材處理的粗淺和學生了解的不深.教師首先需要明確高中物理新教材的課程目標,即不僅僅是物理知識的傳授,更有過程、方法和情感態度價值觀的學習;教師對物理概念規律的背景及意義須深入理解;教師需要研究學生,研究學生的知識需要,研究學生知識習得過程中的認知結構、認知需要.下面談談筆者對位移概念教學的認識.

首先應讓學生明白運動學中引入位移的必要性,這是因為力學分支的研究對象是機械運動,而機械運動研究物體位置的變化,最終目的是探尋物體位置變化的定量規律,所以引入物體位置變化的量化物理量不僅是必要的而且也是必須的.

其次是建立位移概念教學的探究過程,在確定出發點和目的地后,讓學生充分舉例,教師出示圖片(不一定是用教材的圖片),如圖1所示.

1 提出問題.將實際問題抽象化:某質點從空間的 A(學校)位置(初位置)到 B(商場)位置(末位置)的過程中,位置發生了解變化.初、末位置變化的情況如果用一個物理量來表征,那么這個物理量就應該是由初、末位置唯一確定,而與A到B的中間路徑無關,只有這種屬性的物理量才能量化兩位置的差別.這個物理量(位移)如何定義呢?

圖1

圖2

2.開放問題.這是一個開放性問題,但同時也是一個讓學生創造性思維充分展示的問題;前面已經分析出了這個物理量(位移)的特性,即由初、末位置唯一決定.然而,只由初、末位置唯一確定的量可構造許多個,如圖2;可用由初、末位置的連接線段作為一個量 AB,也可用由初末位置連接線段 AB為直徑的半圓周長作為一個量;當然還可以用AB為一邊的長方形另三邊長ADCB作為一個量,以 AB為一邊的等腰三角形或等邊三角形的另兩條邊長ACB作為一個量等等,如圖2.現在的問題是在這么多個方案中,選用哪一種呢?

3.拓展問題.

圖3

現在我們再來設想,如果就以上述認識即以AB兩點間距離來定義A到B位置變化(位移),如圖3,假設一位學生在圓形廣場中心 O出發最后到達圓周位置的A或B或C……等位置,或假設該學生從 A、B、C、……等位置出發最后到達 O位置,由 OA、OB、OC等均相等,按照上述定義這不是位置變化都一樣了嗎?顯然一個量值同時量化了多個不同位置改變的現象.違背了引入物理量應滿足的對應原則.需要對該定義進行修正!

圖4

4.歸納問題.如果我們取好坐標系,如圖4,如取水平向右為X軸,我們不難發現,OA、OB、OC與X軸的夾角是不同的,如果用距離和角度一起定義一個物理量X,用X來描述位置的改變,那么,從 O分別到達 A、B、C各點的位置改變就對應不同的X值,不同的X值也對應著不同的位置改變,滿足物理量的對應原則.而角度是表征方向的量,所以 X是一個有大小(距離)和方向的物理量.這樣,修正以后,位移可重新定義如下:“從初位置到末位置作一條有向線段,用這條有向線段表示位移”.即線段表示位移大小,箭頭方向表示位移的方向.

5.得出結論.因此位移是個既有大小又有方向的量,這種物理學量我們稱為矢量,上述問題也可用圖來表示,如圖5,可用有向線段OA來表示從O到A的位置變化.

圖5

以上對位移概念教學的展示,說明了概念教學的重點應是教師引導學生在創造的情景下,通過探究學習建立概念.同時,高中物理課程標準的總目標確立了三維目標,在“知識與技能”方面強調,學生要學習概念、定律、模型以及實驗技能.作為教師不僅要讓學生正確掌握概念,還應該重視物理概念與自然、社會、科學技術的相互關系,這種關系也應當成為教學內容的重要組成部分.而概念的背后往往有著一種深刻的物理學思想和物理學方法,因此,要將概念建立過程中所體現出來的思想和方法滲透到教學內容中.