“情景轉換”在物理教學中的應用案例

劉玉明

【摘要】解決物理問題有很多方法，諸如模型法、分析法、數學法、實驗法等，然而，根據物理事件建立相應的物理情景，這對分析問題解決問題、尤其是在尋求破題方法時起著至關重要的作用。“情景轉換”就是把學生難以想象的復雜事件，用一簡單而又恰當的其他情景代換，從而降低問題的難度、解除學生的困惑、提高教學的效益。

【關鍵詞】探究教學法 情景轉換法 控制變量法

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）24-0098-02

案例一：

目標要求：通過情景轉換使學生建立清晰的在不同電壓下電子通過兩極板時的運動情形，找到計算“有電子從極板的右端射出的時間與沒有電子從極板的右端射出的時間”的方法。

問題難點：射入的電子是連續不斷的與兩極板間加的電壓是交變電壓。

教學措施：采用探究教學法與情景轉換法相結合。

問題1：

在真空中有水平放置的兩個平行、正對的金屬平板，板長為L，兩板間距離為d，在兩極板間加一交變電壓u=Um sinωt。現有質量為m、電荷量為e的電子以速度ν（ν接近光速1/20）從兩極板左端中點沿水平方向連續不斷地射入兩平行板之間。若電子經過兩極板的時間相比交變電流的周期可忽略不計，不考慮電子間的相互作用和相對論效應。則：[ ]

教學過程：

教師：我們先看這樣一個問題2：“在真空中有水平放置的兩個平行、正對的金屬平板，板長為L，兩板間距離為d，在兩極板間加一電壓U.現有一個質量為m、電荷量為e的電子以速度ν從兩極板左端中點沿水平方向射入兩平行板之間。求兩極板間的電壓U為多大時電子能從極板的右端射出。”大家討論并做分析。

（學生討論并做分析）

教師：很好！現在我們回到問題1。大家比較一下，問題1與問題2的不同在哪里？

學生：問題1在兩極板間加的是交變電壓。

學生：問題1射入兩平行板之間的電子不是一個，而是連續的。

教師：不錯！那我們采用什么辦法呢？

（學生討論并做分析）

教師提示：控制變量法——先研究一個變量問題。

學生：………………？

（學生困惑）

教師：問題1中射入兩平行板之間的電子是連續的，我們可不可以先考慮一個電子呢？

（學生似乎有些明白又感到無從下手，問題的根源在于頭腦中沒有建立相應的物理情景。于是，教師引導他們到生活中去尋找）

教師：問題1中電子通過兩極板間的情景你能否在頭腦中建立起來？我們生活中有沒有類似的現象？

（學生思考、議論）

教師提示：高速公路收費站的擋車橫杠是如何工作的？（教師開始幫助學生建立物理情景）

（學生清楚高速公路收費站的擋車橫杠是如何工作的）

教師：如果擋車橫杠的高度比汽車的高度大，橫杠能否起到擋車的作用？（教師開始幫助學生進行情景轉換）

學生：橫杠過高或汽車過低，橫杠都不起作用。

教師：大家分析得很好。我們再認真對比分析一下，問題1中電子通過兩極板間的情景跟擋車橫杠的工作情景是否有類似的地方？

（學生一下明白了許多）

學生：汽車像電子、橫杠的高度像電壓。

教師：對！大家能否改進高速公路收費站的擋車橫杠設計，同時對通過的汽車做一個條件限制，結果會跟問題1中電子通過兩極板間的情景很相似？

（學生討論，對問題1開始有了比較清晰的認識）

教師、學生：我們設想擋車橫杠不是轉動的，而是上下運動的（簡諧運動），汽車的高度一樣且長度不計。這樣，電子通過兩極板間的情景就跟汽車通過橫杠的情景相似。

至此，通過生活中熟悉的情景已經使學生建立了清晰的在不同電壓下電子通過兩極板時的運動情形，較好地破解了“射入的電子是連續不斷的與兩極板間加的電壓是交變的”困難，也能理解并能計算“有電子從極板的右端射出的時間與沒有電子從極板的右端射出的時間”。

案例二：

目標要求：通過情景轉換使學生建立清晰的CCD攝相機（攝相機拍攝不受光照影響）隨著衛星的飛行，對月球表面進行連續拍攝的情景，找到計算“在月球自轉一周的時間內，將月球表面各處全部拍攝下來，攝相機拍攝時拍攝到的月球表面寬度至少是多少”的方法。

問題難點：攝相機（攝相機拍攝不受光照影響）隨著衛星的飛行，對月球表面進行連續拍攝，其拍攝到的月球表面寬度與月球表面積的關系。

教學措施：采用探究教學法與情景轉換法相結合。

問題3：

月球自轉一周的時間與月球繞地球運動一周的時間相等，都為T0。我國的“嫦娥1號”探月衛星于2007年11月7日成功進入繞月運行的“極月圓軌道”，這一圓形軌道通過月球兩極上空，距月面的高度為h.若月球質量為M、月球半徑為R、引力常量為G。

⑴求“嫦娥1號” 繞月運行的周期。

⑵在月球自轉一周的過程中，“嫦娥1號”將繞月球運行多少圈？

⑶“嫦娥1號”攜帶了一臺CCD攝相機（攝相機拍攝不受光照影響），隨著衛星的飛行，攝相機將對月球表面進行拍攝，要求在月球自轉一周的時間內，將月球表面各處全部拍攝下來，攝相機拍攝時拍攝到的月球表面寬度至少是多少？

教學過程：[這里只討論問題⑶]

教師：首先，我們在生活中找一找，有沒有這樣的事件，它跟衛星繞月球運行有相似的地方。

（學生議論并做分析）

學生：………………？

（學生困惑）

教師提示：想想家里用的簡易水果削皮機。（教師幫助學生進行情景建立）

學生：水果轉動、刀片不動，刀片一圈一圈（連續）把水果皮全部削去。

教師：這種水果削皮機的工作跟衛星繞月球運行有什么相似的地方？（教師幫助學生進行情景轉換）

（學生一下明白了許多）

學生：水果削皮機削去的水果皮的總面積等于水果的表面積，這跟衛星繞月球運行攝相機拍攝月球的表面相似。

教師：不錯！我們能否把削皮機做一些改動，使削皮機削皮的工作過程跟衛星上的攝相機對月球表面進行拍攝的過程更加相似？

（學生思考討論并做設計）

教師、學生：我們設想水果做圓周運動、刀片也做圓周運動，兩個圓周運動的線速度方向互相垂直，這樣改動后的“水果削皮機” 跟衛星上的攝相機對月球表面進行拍攝的過程就完全相似了。

接下來，學生不難找到解決問題⑶的方法。

“情景轉換”的教學方法，其核心就是利用生活中大家熟悉的情景（事件）來分析復雜的物理過程、幫助找到解決問題的思維方法，它對提高學生靈活的思維能力、培養學生的綜合素質都起著非常積極的作用。