培養高中學生物理思辯能力的嘗試
2014-04-29 00:00:00周玉環
廣西教育·B版 2014年7期
【摘 要】以易錯題為素材，以分析易錯題為切入點，培養高中生物理思辨能力，提高學生科學素養。
【關鍵詞】高中物理 易錯分析 思辨能力
【中圖分類號】G【文獻標識碼】A
【文章編號】0450-9889（2014）07B-0107-04
“錯誤往往是正確的先導”。學生在平時的做題中，常常會出現這樣或那樣的錯誤。教學中，可利用學生做題時容易發生的常見錯誤進行懸念設置，以此啟發學生去分析錯誤的根源，從而最終找到解決問題的“良藥”。以易錯題為題材的物理習題課教學不僅能使學生發現錯誤，從中吸取教訓，而且還能加深學生對基礎知識的理解和對基本技能的掌握，提高學生的物理思辯能力。以良好的思辯能力為基礎，促進學生形成科學的物理思維。筆者以下面兩道物理易錯題為例進行教學剖析，對培養高中學生物理思辯能力進行嘗試，愿與同行共勉。
一、對有效長度的思辯
【習題】如圖1，磁場垂直于紙面，磁感應強度在豎直方向均勻分布，水平方向非均勻分布。一銅制圓環用絲線懸掛于 O 點，將圓環拉至位置 a 后無初速釋放，在圓環從 a 擺向 b 的過程中
A.感應電流方向先逆時針后順時針再逆時針
B.感應電流方向一直是逆時針
C.安培力方向始終與速度方向相反
D.安培力方向始終沿水平方向
這是摘自2011高考上海卷的第20題，筆者略加研究后發現，學生做這樣的題容易出問題，問題又可能出在哪？筆者沒有告訴學生，在一堂高三物理復習課中，大膽把它拋給了學生。習題給出后不久，筆者在教室中轉了一圈，發現大多數學生很快得出答案。大部分同學以為大功告成，顯得很滿足。
師： 哪個同學能告訴同學們你選哪個答案？
生1：（平時物理成績較好）我選擇 AC
師： 能說說選擇理由嗎？
生1：圓環從位置 a 后無初速釋放，在到達磁場分界線之前，穿過圓環向里的磁感線條數在增加，根據楞次定律，感應電流方向為逆時針；圓環經過磁場分界線之時，穿過圓環向里的磁感線條數在減少，根據楞次定律，感應電流方向為順時針；圓環經過磁場分界線之后，穿過圓環向外的磁感線條數在減少，根據楞次定律，感應電流方向為逆時針。A 正確。根據楞次定律，安培力的方向總要與相對運動方向相反，所以選擇 C 選項。
師：同意這個說法的同學請舉手。
環視教室，發現大部分的同學都舉手表示贊同，并且對自己的理解與學生 1 的說法一致表示出極大的認可。筆者微笑不語，又看了看其他幾位不舉手的同學。
師：其他同學有沒有不同的意見？說不定真理是掌握在少數人的手里呢？
或許是受到了鼓舞，此時，突然有個學生提出了不同的看法。
生2：老師，我認為 C 錯， D 正確。
有了這兩位同學的對話，筆者想他們已經出現了思維撞擊的火花，好辦了。
師：很好，我也請大家相互討論一下到底自己的理解對不對。
頓時，教室熱鬧起來了……
同學們都認可 A 選項是對的，因為用楞次定律比較容易得出，大家產生歧義的地方主要在安培力的方向到底是與圓環速度方向相反還是始終沿水平方向？關于安培力的方向，大綱版高中物理教材第二冊介紹的左手定則是用來判斷安培力的方向的，其內容是：“伸開左手，使大拇指跟其余四個手指垂直，并且都跟手掌在一個平面內，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿過手心，并使伸開的四指指向電流的方向，那么，拇指所指的方向，就是通電導線在磁場中的受力方向。”用這個方法判斷通電直導線安培力的方向確實很好，學生在以往的學習中往往形成了在矩形線框或者直導線受到的安培力中安培力方向與速度方向相反的片面認識。如何將錯覺給予糾正？筆者想，當然需要思維碰撞的火花了。
在學生熱烈討論之時，有一位同學（生3）直接跑向黑板。
生3：安培力的方向用左手定則判斷，這里用左手定則不好判斷，我想用等效思維解決。首先得理解安培力中的有效長度，安培力的大小 F=BIl 中的 l 是有效長度，不一定是導線的實際長度。彎曲導線的有效長度 l 等于兩端點所連直線的長度，如圖（甲）（乙）（丙）中的有效長度等于虛線 ab，所以任意形狀的閉合線圈如圖（丁）的有效長度 l=0。
師：那你能畫出這道題圖中的安培力的有效長度嗎？
生2：不好畫，因為水平方向磁場非均勻分布，只能考慮對稱性，因為磁場在豎直方向分布均勻，圓環受到的豎直方向的安培力抵消，所以 D 正確。
見時機成熟，筆者在黑板上詳細用微元法及對稱性分析安培力的方向，學生們聽得很認真。很多同學恍然大悟地點頭表示贊同。接著，筆者又進一步告訴同學們，錯題是同學們在學習中不可避免的一種正常現象，是大家知識構成中薄弱環節的真實再現，在差錯面前人人平等，無論是自己的還是他人的錯誤，都要學會正確面對，不害怕自己的錯誤，不嘲笑別人的錯誤，要以正確的態度來對待錯題，以形成正確的差錯觀，通過深層剖析錯因，往往使對知識的進一步理解達到更高的境界。
感覺大家理解得差不多了，筆者又借助多媒體投出大綱全國卷2009年的一道選擇題。請大家做一做。
【做一做】一段導線 abcd 位于磁感應強度大小為 B 的勻強磁場中，且與磁場方向（垂直于紙面向里）垂直。線段 ab， bc 和 cd 的長度均為 L ，且∠abc=∠bcd=135°。流經導線的電流為I，方向如圖中箭頭所示。導線段 abcd 所受到的磁場的作用力的合力（ ）
A.方向沿紙面向上，大小為
B.方向沿紙面向上，大小為
C.方向沿紙面向下，大小為
D.方向沿紙面向下，大小為
同學們做這道題下來就基本上不會有什么問題了。那么，在類似問題中會不會出錯呢？為了充分暴露和避免可能存在的錯誤，筆者又大膽地拋出另一道題給大家。
【想一想】如圖4，平行導軌間的距離為 d，一端跨接一個電阻 R，勻強磁場的磁感應強度為 B，方向垂直于平行金屬導軌所在平面。一根足夠長的金屬棒與導軌垂直放置，金屬棒與導軌的電阻不計，當金屬棒沿垂直于棒的方向以速度 v 滑行時（ ）
A.a 點電勢低于 b 點電勢
B.通過 R 的電流為
C.通過 R 的電流為
D.安培力的大小為
學生又投入忙碌的思考與解題當中……
有同學很快得出答案，并且主動站起來講自己主要的分析思路，如下：
A.不對。由右手定則得出電流從 b 指向 a ，相當于電源內部，在電源內部電流從低電勢往高電勢流， a 點電勢應高于 b 點電勢。
B.對。
C.錯，因為B對。
D.對。
所以答案是 BD。
對于這個結果，好幾個同學表示認可。筆者也不著急，這時，還是有大膽的同學站起來提出異議，筆者笑瞇瞇地問：“那你能談談自己的理解嗎？”
生3：我認為產生感應電動勢的導線長度算錯了！應該是垂直于 v 方向的長度，等于。
師：是這樣嗎？到底哪個同學的理解正確呢？
于是，筆者在黑板上寫下了“有效長度”和“有效切割長度”兩行大大的字。
的確，“有效長度”和“有效切割長度”是電磁感應中較易混淆并且容易產生錯誤理解的知識點。如果能通過易錯題把這這個易錯點充分地暴露出來，再共同分析討論錯因，往往能使學生從中吸取教訓，而且能加深對基礎知識的理解和對基本技能的掌握。
借助多媒體平臺，筆者又投出以下內容，并指出：對于導體平動切割磁感線產生感應電動勢的計算式 E=BLv ，公式中的L 為有效切割長度，即導體在與 v 垂直的方向上的投影長度。并與學生共同分析下圖 5 中有效長度分別對應的值。
“哦”同學們再一次對自己沒有注意到F=BTL和E=BLv中“L”的區別感到遺憾，同時又為自己能那么及時理解感到高興。筆者想，此時答案是什么學生們應該非常清楚了。最后，為了使同學們對本問題更有把握，留了這么一道題請同學們課后討論。
【習題】如圖6，一個底邊長度為 2L 的均勻閉合線圈正以速度 v 勻速通過一個寬度為 L 的勻強磁場，從線圈進磁場時開始計時，設順時針方向電流為正，則線圈中感應電流 i 隨線圈位移 x變化的關系圖象正確的是（ ）
二、對摩擦力的思辯
案例 2
在一次常規教學中，筆者拋出一道較常見的習題。
【習題】如圖7所示，物體靜止在斜面上，現用水平外力 F 推物體，在外力 F 由零逐漸增加的過程中，物體始終保持靜止，物體所受摩擦力怎樣變化？
習題給出后不久，馬上有學生提供下列解答。
由式①可知， F 增加 f 也增加。所以在變化過程中摩擦力是增加的。
筆者首先肯定同學們這么快就做了出來，其次，針對有不同解法的情況，筆者邀請這兩種解法的同學分別指出對方解法的問題出在哪里？
這下子，教室里變得熱鬧起來……
實際上，上述錯解原因是對靜摩擦力認識不清，因此不能分析出在外力變化過程中摩擦力的變化。經過同學們激烈的討論分析后，等差不多安靜下來了，筆者拋出一個問題。
師：請同學們思考，開始 F 等于零時，物體處于什么狀態？
生：靜止。
師：那你能對無外力作用時的物體進行受力分析嗎？
于是，筆者跟大家一起對之前靜止時的狀態進行受力分析，逐漸引導大家思考，得出如下解答。
〖正確解答〗本題的關鍵在確定摩擦力方向。由于外力的變化使物體在斜面上的運動趨勢發生變化，如圖9，當外力較小時（Fcosθ
為了使同學們對摩擦力有進一步的理解，筆者還將此問題進行了改編。
【鞏固拓展】若斜面上物體沿斜面下滑，質量為 m ，物體與斜面間的動摩擦因數為 μ 。
（1） F 為怎樣的值時，物體會保持靜止？
（2） F 為怎樣的值時，物體從靜止開始沿斜面以加速度 a 運動？
受前面問題的啟發，學生較容易想到 F 的值應有一個范圍，不是固定不變的。
首先以物體為研究對象，當 F 較小時，物體受重力 mg，支持力 N ，斜向上的摩擦力 f 和 F 。物體剛好靜止時，應是 F 的邊界值，此時的摩擦力為最大靜摩擦力，可近似看成 f靜=μN（最大靜摩擦力），建立坐標，據牛頓第二定律列方程。
當 F 從此值開始增加時，靜摩擦力方向開始仍然斜向上，但大小減小，當 F 增加到 Fcosθ=mgsinθ時，即 F=mgtanθ時， F 再增加，摩擦力方向改為斜向隨著 F 增加，靜摩擦力增加， F 最大值對應斜向下的最大靜摩擦力。
關于第二個問題，提醒學生注意題中并未提出以加速度 a 向上還是向下運動，應考慮兩解，此處不詳解，只給出答案供參考。
當時，物體以 a 斜向下運動；
當時，物體以 a 斜向上運動。
那么，在平時的教學中，對這些看似容易做錯的習題，怎么辦？是由學生自己總結糾錯，教師避而不談，還是直面對待？ 筆者的做法是，針對典型的易錯題，保持習題的原貌，甚至改為易錯的情景，迫使它沿著可能發生的錯誤的方向將錯誤進行到底。對充分暴露出來的錯解，不同的學生會有不同的理解，利用學生與學生間思維的撞擊，從基本概念、基本規律、基本模型著手，跟學生一起逐漸還原真相，回歸到正確的軌道上。為了讓學生減少錯題的發生，筆者還教同學們養成自主檢查和反思的習慣。從五個層次進行反思：（1）這題運用了那些知識點？（2）我是怎樣想的？（3）為什么要這樣做？（4）還有其他方法嗎？哪種方法更好？（5）能否通過改、換條件或問題的方式來變成另一道題？此時，教師的身份既是引領者，又是旁觀者，甚至可以使自己和學生站在同一起跑線上，共同對問題進行探索，并找到最后的答案。這樣，解題思路的產生，多解的出現會原汁原味地呈現在我們的眼前。錯因的剖析、問題的本質都在師生的探究中原形畢露。在研究中，我們發現學生每遭遇一次錯誤，就增添一次打破和超越已有經驗的機會。經歷錯誤并克服一次錯誤，學生的已有智慧結構就呈現一種螺旋上升的狀態。剖析易錯題能促使學生對已完成的思維過程進行周密的反思，久而久之，學生的物理思辯能力就會得到提升，從而提高他們的物理科學素養。
