實際情景向基本物理模型轉化的難點及教學對策

【摘 要】本文將以傳送帶為例，闡述實際情景向基本物理模式轉化的難點及教學對策。

【關鍵詞】實際情景；基本物理模型；轉化難點；教學對策；傳送帶問題

模型教學是高中物理教學的一種重要方法，給夠使學生在學習物理知識的時候對物理概念的理解更加直觀和深刻，腦海中形成更直觀的物理形象，同時通過物理模型，更好的激發了學生的研究、創造與創新意識。然而對于結合實際的問題，有的學生對此云里霧里，覺得實際上有的情景在物理現象中出現了，反而難以理解了，也就是說把實際情景轉化為物理模型，他們反倒困惑了，學習出現了障礙。因此，克服實際情景向基本物理模型轉化的困難，提高模型教學的效果非常重要。下面以傳送帶問題為例，講解一下實際情景向基本物理模型轉化的難點及教學對策。

一、在實際情景向傳送帶模型轉化的難點

1.對于物體與傳送帶之間是否存在摩擦力、是滑動摩擦力還是靜摩擦力、摩擦力的方向如何等等，這些關于摩擦力的產生條件、方向的判斷等基礎知識模糊不清；

2.對于物體相對地面、相對傳送帶分別做什么樣的運動，判斷錯誤；

3.對于物體在傳送帶上運動過程中的能量轉化情況考慮不全面，出現能量轉化不守恒的錯誤過程。

二、相應的教學對策

第1個難點應屬于易錯點，突破方法是先讓學生正確理解摩擦力產生的條件、方向的判斷方法、大小的決定因素等等。通過對不同類型題目的分析練習，讓學生做到準確靈活地分析摩擦力的有無、大小和方向。

舉例說明：如圖1所示傳送帶與地面成夾角θ=37°，以10m/s的速度逆時針轉動，在傳送帶上端輕輕地放一個質量m=0.5kg的物體，它與傳送帶間的動摩擦因數μ=0.5，已知傳送帶從A到B的長度L=16m，則物體從A到B運動需要的時間為多少？

傳送帶沿逆時針轉動，與物體接觸處的速度方向斜向下，物體初速度為零，所以物體相對傳送帶向上滑動，因此受到沿斜面向下的滑動摩擦力作用，這樣物體在沿斜面方向上所受的合力為重力的下滑分力和向下的滑動摩擦力，因此物體要做勻加速運動。當物體加速到與傳送帶有相同速度時，摩擦力情況要發生變化，同速的瞬間可以看成二者間相對靜止，無滑動摩擦力，但物體此時還受到重力的下滑分力作用，因此相對于傳送帶有向下的運動趨勢，若重力的下滑分力大于物體和傳送帶之間的最大靜摩擦力，此時有μ＜tanθ，則物體將向下加速，所受摩擦力為沿斜面向上的滑動摩擦力；若重力的下滑分力小于或等于物體和傳送帶之間的最大靜摩擦力，此時有μ≥tanθ，則物體將和傳送帶相對靜止一起向下勻速運動，所受靜摩擦力沿斜面向上，大小等于重力的下滑分力。該題的關鍵就是要分析好各階段物體所受摩擦力的大小和方向。具體解題過程略，最后答案是2s。

第2個難點是對于物體相對地面、相對傳送帶分別做什么樣的運動，判斷錯誤。該難點應屬于思維上有難度的知識點，突破方法是靈活運用“力是改變物體運動狀態的原因”這個理論依據，對物體的運動性質做出正確分析，判斷好物體和傳送帶的加速度、速度關系，畫好草圖分析，找準物體和傳送帶的位移及兩者之間的關系。學生初次遇到“皮帶傳送”類型的題目，由于皮帶運動，物體也滑動，就有點理不清頭緒了。

解決這類題目的方法是：選取研究對象，對所選研究對象進行隔離處理，就是一個化難為簡的好辦法。對輕輕放到運動的傳送帶上的物體，由于相對傳送帶向后滑動，受到沿傳送帶運動方向的滑動摩擦力作用，決定了物體將在傳送帶所給的滑動摩擦力作用下，做勻加速運動，直到物體達到與皮帶相同的速度，不再受摩擦力，而隨傳送帶一起做勻速直線運動。傳送帶一直做勻速直線運動，要想再把兩者結合起來看，則需畫一運動過程的位移關系圖就可讓學生輕松把握。

第3個難點也應屬于思維上有難度的知識點。對于勻速運動的傳送帶傳送初速為零的物體，傳送帶應提供兩方面的能量，一是物體動能的增加，二是物體與傳送帶間的摩擦所生成的熱（即內能），有不少同學容易漏掉內能的轉化，因為該知識點具有隱蔽性，往往是漏掉了，也不能在計算過程中很容易地顯示出來，尤其是在綜合性題目中更容易疏忽。突破方法是引導學生分析有滑動摩擦力做功轉化為內能的物理過程，使“只要有滑動摩擦力做功的過程，必有內能轉化”的知識點在學生頭腦中形成深刻印象。

舉例說明：如圖2所示，水平傳送帶以速度v勻速運動，一質量為m的小木塊輕放到傳送帶上，若小木塊與傳送帶之間的動摩擦因數為μ，當小木塊與傳送帶相對靜止時，轉化為內能的能量是多少？

該題首先得清楚當小木塊與傳送帶相對靜止時，轉化為內能的能量應該怎么來求，這就需要到用“物體在克服滑動摩擦力做功過程中轉化成的內能等于滑動摩擦力與相對滑動路程的乘積”這一結論，然后再根據物體和傳送帶的運動情況來求二者相對滑動的距離。從靜止放到勻速運動的傳送帶上的物體，在達到與傳送帶同速的過程中，轉化為內能的能量值和物體增加的動能值相等。因為物體在該過程中的對地位移與傳送帶相對物體的位移大小是相等的。解題過程略，最后答案是1/2mv2。

總之，當遇到實際情景向基本物理模型轉化這類教學難點問題時，應在平時讓學生養成根據物理概念和物理規律分析問題的思維習慣；在分析問題時讓學生養成比較、取舍的習慣；要透徹掌握典型物理模型的本質特征、不斷積累典型模型，并靈活運用他們。此外還要注重學生的模型轉化能力培養，要讓學生做到由物體的受力和初始運動狀態的類似性構建物理模型；抓住過程分析，把復雜問題轉化為基本模型的組合。在教學中要將實際情景轉化為基本物理模型時，要先確定研究對象，把要解決的問題轉化為熟知的純物理問題。此外，還要培養學生熟練掌握各種物理模型的主要特征，并學會應用抽象思維，迅速找到研究對象。

（作者單位：江蘇省常州市第二中學）