“身臨其境”地去分析和思考物理問題

王金聚

(浙江省溫州中學,浙江 溫州 325000)

《普通高中物理課程標準》指出:“應用物理知識解決具體問題應結合具體的實際情景”、“創設情景進行教學,對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用”．在物理學習的過程中,我們可以把研究對象擬人化——想象成是我們人類自身．通過這種情景的創設,就能使我們產生身臨其境的感覺,作用在研究對象上的力就像作用在我們身上一樣,感同身受,有切身體會,印象會更深,更易使我們看透問題的本質,更利于我們去分析和解決問題．

1 設想自己就是某物理過程的參與者、某物理現象的制造者

學物理需要的是“悟理”,要想引領學生直觀、深刻地去感悟,就要將學生置身于問題情景當中．面對題述中的物理過程、物理現象,我們看似是旁觀者,但為了加深對物理過程、物理現象的理解,我們可以設想自己就置身其中,參與了整個物理過程,親手造就了某些物理現象．通過這樣設身處地的想象,更易于找到解決問題的突破口．

圖1

以重力勢能概念的建立為例,可假定教師手握物體站在高處,讓學生設想自己就站在所握物體的正下方,如圖1所示,問學生會有怎樣的感覺?若所握的物體由原來的乒乓球換成鉛球,感覺會有何不同?若所握的物體由2樓轉移至5樓,感覺又會有什么變化?這樣一來,重力勢能的概念就容易根植于學生的腦海中了．

例1.(2018年江蘇省學業水平測試)在一段網絡視頻中,一枚硬幣穩穩地立在飛馳高鐵的窗臺上,保持一段時間不倒,認為視頻中硬幣處于靜止狀態所選擇的參考系是

(A) 遠處的高山. (B) 經過的站臺.

(C) 車窗外的樹木. (D) 立硬幣的窗臺.

解析:不妨假設你就坐在該列高鐵上,且是你自己動手立起來了那枚硬幣,你看著它立在那兒未動,當然說明“那兒”就是參照物,顯然,“那兒”就是“立硬幣的窗臺”．故選項(D)正確．

2 把他人、動物幻化成自己

問題情景中出現了一些涉及人物的字眼,如“某同學”、“司機”、“運動員”、“乘客”、“小明”等,或者動物的字眼——如“豹子”、“羚羊”、“猴子”、“獵犬”等,這些雖然看似與我們無關,但為了解決問題方便,我們都可以他們(它們)想象成是我們自己.這樣就增加了我們的情景參與感,理解起來會更容易,印象也會更深刻,更易于我們分析和解決問題．

圖2

例2.(2018年下半年浙江省選考卷)奧運會比賽項目撐桿跳高如圖2所示,下列說法不正確的是

(A) 加速助跑過程中,運動員的動能增加.

(B) 起跳上升過程中,桿的彈性勢能一直增加.

(C) 起跳上升過程中,運動員的重力勢能增加.

(D) 越過橫桿后下落過程中,運動員的重力勢能減少動能增加.

圖3

解析:把自己當作是撐桿跳運動員,想象自己手執長桿助跑、插桿、起跳、上升、飛越橫桿再下落的過程,腦海里就會浮現出如圖3所示的動態過程圖．就易理解自己在上升的過程中動能減少、重力勢能增加,桿的形變量先變大再變小,即上升過程中彈性勢能是先變大再變小的．正確選項為(B)．

圖4

再比如探究平面鏡成像的規律,如圖4所示,可把圖中貓咪想象成是你自己,像貓咪那樣抬起你的左手,則鏡中的你抬的是“右手”,有人據此得出平面鏡成像是“左右相反”的特征,這種說法恰當嗎?

其實,鏡中人的“右手”實則還是你左手的像,于你而言,它還是位于你的左側,即左側物形成了左側像,故“左右相反”的說法易產生歧義,并不恰當．

3 把無生命的物體幻化成自己

問題里有描寫物理模型的字眼,如“木塊”、“小車”、“小球”、“輕桿”、“細線”、“導軌”、“斜面”等,雖然這樣研究對象都是無生命的,是“死”的,但我們卻可以想象用自身或身體的某一部分把它替換下來,讓它“活”起來．這樣想象讓自己處身其中,即“物即我,我即物”,便能切身體會到物體所處的狀態及環境,感知到它的受力及運動情況,更利于我們對問題的解決．

圖5

例3.如圖5所示,二輕桿AO、BO在O處以鉸鏈連接,A、B端均用鉸鏈固定于豎直墻壁上,今在O處用細線懸掛一重物,則下列說法正確的是

(A) 桿OA對A處的鉸鏈有向外的拉力.

(B) 桿OA對A處的鉸鏈有向墻內的壓力.

(C) 桿OB對B處的鉸鏈有向外的拉力.

(D) 桿OB對B處的鉸鏈有向墻內的壓力.

解析:在O處用鉸鏈連接的二輕桿形似一圓規,為增強參與感,不妨將右側的墻壁幻化成我們的右手,如圖6所示．想象自己用拇指、食指捏住圓規的上針腳,用手掌下部抵住含有鉛筆芯的下針腳,若在圓規頂端掛上一些小重物,不難想象上針腳在A處將向外拉你的手指,在B處將刺痛你的手掌,如圖7所示．故正確選項為(A)、(D)．

圖6

圖7

4 把多個物體幻化成對應的多個人

如果問題中出現的人和物有兩個以上甚至更多,我們也同樣可以把自己置身其中——設想自己是其中的一個,其余的則可以想象成是你身邊的人,比如同學、家人、朋友等,借以增加代入感．譬如有這么一句話——“物體的溫度升高了但并非是物體內每個分子的動能都增加了”,有的學生不理解．我們可拿學生作比喻:“我們班期末考的物理平均分比期中考提高了”,但并不代表每個同學的物理成績都高了,有的可能還下降了．這樣一說,同學們理解起來就容易多了．

選修教材3-3中關于“熵”有這么一段話:“熵較大的宏觀狀態就是無序程度較大的宏觀狀態,也就是出現概率較大的宏觀狀態．在自發過程中熵總是增加的,其原因并非因為有序是不可能的,而是因為通向無序的渠道要比通向有序的渠道多得多”．這段話比較抽象,學生理解起來比較困難．考慮到熵增加原理可以延伸到現實生活中,教材中特地把它做了擬人化的處理——“把事情搞得亂糟糟的方式要比把事情做得整整齊齊的方式多得多．要讓操場上的一群學生按班級、按身高,或按任何規則來站隊都是比較麻煩的:每個學生都要找到自己的位置．但是要讓已經站好隊的學生解散,那就非常簡單:每個學生隨便朝一個方向跑去,隊形就亂了．”原本排列整齊的學生會自發地向著亂糟糟、更無序的方向發展,而后教材再給出“一個孤立系統總是從熵小的狀態向熵大的狀態發展,而熵值較大代表著較為無序,所以自發的宏觀過程總是向無序度更大的方向發展”的結論,學生接受起來就相對容易多了．

圖8

例4.如圖8所示,A和B兩行星繞同一恒星O做圓周運動,旋轉方向相同,A行星的周期為T1,B行星的周期為T2,某一時刻兩行星相距最近,則

(A) 經過T1+T2兩行星再次相距最近.

圖9

解析:不妨把行星A、B想象成兩個在圓形跑道上奔跑的人,如圖9所示,比如A就當作是你自己,B是你的同桌,從起跑線一起開跑,你跑得比同桌快．啥時候你再次與他相遇(最近)呢?顯然是你套他一圈的時候．啥時候你與他相距最遠呢?顯然是你比他多跑半圈的時候．這樣一轉換,解題思路就清晰明了.

正確選項為(B)．

能夠用感官感覺到的現象、規律應該更易掌握得牢固和持久．采用替代或擬人化的手法,假定你就是題中人,就是木塊、小車、小球、細線等,將自己置身其中,就有了強烈的代入感,你會感受到題中的人或物所受的力、所處的狀態,親臨其境,似乎問題的主體就是自己,更易意識到問題的本質所在．相應地,學生對物理的學習也就會變得更投入、更有效、更愉悅,從而幫助他們提高分析問題和解決問題的能力．