淺談高中物理核心素養下科學思維能力的養成
——以傳送帶動力學模型為例

林伯來

(云浮市鄧發紀念中學 廣東 云浮 527300)

曾 斌

(廣東實驗中學 廣東 廣州 510375)

淺談高中物理核心素養下科學思維能力的養成
——以傳送帶動力學模型為例

林伯來

(云浮市鄧發紀念中學 廣東 云浮 527300)

曾 斌

(廣東實驗中學 廣東 廣州 510375)

物理核心素養是現在教學研究的熱點問題，如何建立科學思維能力是其中很重要的一方面.通過“傳送帶”動力學模型來做一些初步的探究，討論了傳送帶運動兩種情況下的動力學問題，通過力與運動的結合得到了解決此類問題的一般思路與方法，以提高學生的綜合思維能力.

核心素養 傳送帶 動力學 運動過程

核心素養是現階段課程改革和教學改革的主要方向,在物理教學實踐中如何全面落實物理核心素養要素是一個新的課題.物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有學科特性的品質.現階段提出的核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”“科學態度與責任”等4個方面的關鍵素養組成.而在其中，結合現在教學實際，讓學生形成科學思維能力是當前高考中的熱點與重點問題.而在科學思維的建構中，物理模型的構建顯得非常重要，也是歷年高考中出題的熱點問題，那么如何構建物理模型?本文通過對“傳送帶”模型的分析來體現科學思維能力的構建.

“傳送帶”類問題有效地體現了運動學規律的綜合應用，包含了物理學科中的相對運動、摩擦力做功、動能定理以及系統能量的轉化和守恒等一系列有關問題，它對科學思維能力的建立有著較高的能力要求，因此一直是高考命題的熱點.這類問題能夠較全面地考查學生利用物理規律分析問題和解決問題的能力，廣大師生在復習備考中應該予以重視.

傳送帶模型的動力學問題有兩個突破點：第一是傳送帶及滑塊的摩擦力方向；第二是滑塊運動過程的情境分析.在分析過程中合理利用速度-時間圖像能對解題有事半功倍的效果.下面分兩種情況來對傳送帶動力學情景進行分析.

1 水平傳送帶動力學分析

1.1 運動情況分析

對水平傳送帶上滑塊的運動分析如表1～表3所示.

表1 無初速度的滑塊在水平傳送帶上的運動情況分析

表2 具有與傳送帶同向速度的滑塊的運動分析

表3 具有與傳送帶反向速度的滑塊的運動分析

1.2 水平傳送帶典型例題分析

【例1】如圖1所示,A,B為傳送帶的左、右端點,AB長L=8 m,初始時傳送帶處于靜止狀態,當質量m=2 kg的物體(可視為質點)輕放在傳送帶A點時，傳送帶立即啟動，啟動過程可視為加速度a=2 m/s2的勻加速運動，加速結束后傳送帶立即勻速轉動.已知物體與傳送帶間動摩擦因數μ=0.1，設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，g取10 m/s2.

圖1 例1題圖

(1)如果物塊以最短時間到達B點，物塊到達B點時的速度大小是多少?

(2)上述情況下傳送帶至少加速運動多長時間?

分析:(1)如果滑塊一直向右勻加速運動，運動時間最短，根據牛頓第二定律列式求解加速度，根據速度位移關系公式列式求解末速度.

(2)對傳送帶，根據速度時間關系公式列式求解加速時間．

解答:(1)為了使物塊以最短時間到達B點，物塊應一直以加速度a1勻加速從A點到達B點，根據牛頓第二定律，有

μmg=ma1

根據速度位移公式，有

解得

(2)設傳送帶加速結束時的速度為v，為了使物塊能一直勻加速從A點到達B點，需滿足

v≥vB

根據速度時間關系公式，對傳送帶加速過程有

v=at

解得

t≥2 s

2 傾斜傳送帶動力學分析

2.1 運動情況分析

傾斜傳送帶上滑塊的運動情況分析如表4～表7所示(圖中的f為最大靜摩擦力).

表4 無初速度的滑塊在傾斜向上運動的傳送帶上的運動情況分析

表5 無初速度的滑塊在傾斜向下運動的傳送帶上的運動情況分析

表6 具有與傳送帶同向速度的滑塊在傾斜傳送帶上的運動分析

表7 具有與傳送帶反向速度的滑塊在傾斜傳送帶上的運動分析

2.2 傾斜傳送帶典型例題分析

【例2】如圖2所示,傳送帶與地面傾角θ=37°,從A→B長度L=16 m,傳送帶以v=10 m/s的速率逆時針轉動.在傳送帶上端A無初速度地放一個質量m=0.5 kg的物體,它與傳送帶之間的動摩擦因數μ=0.5.物體從A運動到B需多長時間?(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)

分析:物體剛放上傳送帶，摩擦力的方向沿傳送帶向下，根據牛頓第二定律求出物體的加速度，結合運動學公式求出速度達到傳送帶速度時的時間和位移，由于重力沿斜面方向的分力大于滑動摩擦力，速度相等后，滑動摩擦力沿斜面向上，根據牛頓第二定律求出物體的加速度，結合位移時間公式求出剩余段勻加速運動的時間，從而得出物體從A運動到B的時間．

圖2 例2題圖

解答:物體剛放上傳送帶時受摩擦力向下,則

當物體與傳送帶相對靜止時,物體的位移

傳送帶過長，因為

mgsinθ>μmgcosθ

物體與傳送帶不能保持相對靜止，會有第二階段的加速運動.

第一階段加速過程時間

第二階段加速位移

x2=L-x1=11 m

第二階段加速度

則

代入數據解得t2=1 s,故共耗時

t=t1+t2=2 s

變式1:在例2中，若物體與傳送帶之間的動摩擦因數變為0.75，則在上述情況下，物體從A到B所用的時間是多少？

解答:物體剛放上傳送帶時相對傳送帶沿斜面向下滑,則

當物體與傳送帶相對靜止時,物體的位移

傳送帶過長，因為

mgsinθ=μmgcosθ

物體與傳送帶將保持相對靜止，會有第二階段對地勻速運動.

第一階段加速過程時間

第二階段對地勻速位移

x2=L-x1=11.83 m

x2=vt

代入數據解得t2=1.183 s,故共耗時

t=t1+t2=2.016 s

變式2:若傳送帶是順時針轉動，則在例2情況下，物體從A到B所用的時間是多少？

解答：物體剛放上傳送帶時受摩擦力向上,則

當物體與傳送帶相對靜止時,物體的位移

傳送帶過短，物體一直做勻加速運動

代入數據解得

t=4 s

3 結束語

傳送帶問題看起來比較復雜，但是通過以上分析，可以發現傳送帶的問題主要是摩擦力問題，因此只要建立好物理情境，分析清楚它的速度-時間圖像、運動學公式、牛頓運動定律、功能關系，便可以不攻自破了！

而通過“傳送帶”模型的動力學分析，讓學生很好地建立了科學思維能力的一般方法，為學生的物理核心素養的養成提供了素材，如果在平時教學中注重這些物理模型與科學思維的建立，那么一定會為學生的終身發展提供無限的動力.

1 侯海軍,孫明西.基于物理核心素養的高中物理教學探討.物理教學探討,2016(10):39～40

2 胡學盛.傳送帶問題二、三事——傳送帶動力學問題詳析.新高考:高一物理,2014(11):8～11

3 牟躍娟.傳送帶上的功能問題簡析.物理教學探討,2005(12):34

4 李光遠.傳送帶中能量問題的探究.中學物理,2010(03):42～44

2016-12-30)