物質觀在物理學習中的應用舉例

摘?要：?物理學是研究物質的結構及運動規律的科學，因此要學好物理，首先要確定所研究的物體，尤其是當題目情境中的物體不止一個或者物體的質量發生變化時，學生往往因為混淆而選不對要研究的物體，造成答非所問或者截然相反的結果.本文通過幾個典型的問題舉例說明學好物理必須做到眼中有物，思想上樹立物質觀的必要性.

關鍵詞：?物質觀;研究對象;解決問題

中圖分類號：?G?632?文獻標識碼：?A?文章編號：?1008-0333（2022）12-0107-03

收稿日期：?2022-01-25

作者簡介：?吉武龍（1990-），男，甘肅省靜寧人，碩士，中學一級教師，從事高中物理教學研究.

2019年教育部考試中心頒發了《中國高考評價體系》，該體系針對新高考分別從一核、四層、四翼三個方面提出新的要求，其中四層包括核心價值，學科素養，關鍵能力，必備知識.物理觀念作為物理學科素養之一，要求學生形成經典物理體系中的物質觀、運動觀、能量觀、相互作用觀，并且能用來解釋自然現象和解決實際問題.物質觀，即物質客觀存在的性質，不依賴于人的感覺而存在.另外，解決問題的方法，往往蘊藏于問題本身，因此，我們要解決問題，必須清楚研究的問題是什么，研究的物體，即對象是誰.比如摩擦力方向的判斷，電場性質的研究，電路動態分析中最大功率的計算，熱學中變質量問題的相關計算等，都是中學物理學習中的難點和易錯點，學生往往學的似懂非懂.下面以這些問題為例，利用物質觀分析并解決學生學習中的困惑和易錯點.

1 物質觀在判斷摩擦力方向中的應用

必修一教材中通過大量實驗證明“摩擦力方向與物體的相對運動方向或相對運動趨勢方向相反”，但是學生在具體應用時，往往會犯難，尤其是在傳送帶問題或者滑板物塊模型中分析摩擦力方向時，不會分析甚至得到相反的答案.

如圖1所示，傳送帶以速度v順時針勻速傳動，物塊無初速度地放在傳送帶上，根據滑動摩擦力方向的判斷方法，物塊受傳送帶的摩擦力方向和物體相對傳送帶的運動方向相反，從而得到物塊受傳送帶的摩擦力方向向右.解決這類問題的關鍵是先根據問題選擇研究對象.

在圖2所示的情境中，傳送帶逆時針勻速傳動，物塊輕輕的放在傳送帶上，物塊相對傳送帶是沿斜面向上運動，得出物塊所受傳送帶的摩擦力方向沿斜面向下.

例1 判斷圖3中物塊受地面的摩擦力方向.

解析?解題時心中只有物塊，摒棄所有的干擾因素，由于三個情景中物塊相對于地面都是向右運動，且物塊受地面的摩擦力方向與物塊與地面的相對運動方向相反，因此物塊受地面的摩擦力方向均向左.

2 物質觀在電場性質學習中的應用

在學習電場時，教材中介紹電場是一種物質，但這種物質不同于分子、原子等組成的實物，電場看不見，摸不著，學生也沒有相關的生活經驗，因為抽象，學習起來難度很大.為了突破學生的學習障礙，使學生理解電場是一種實際存在的物質，我們可以從電磁波到太陽光這樣的電場組成的物質為例說明，先形成初步印象.在研究電場的性質時，學生可能會想到用電荷在電場中受到的電場力描述電場的性質，困惑為什么還要引出電場強度這個新的比較抽象的物理量呢？這里我們再次運用物質觀分析，既然電場是一種物質，那么電場是客觀存在的，它的性質肯定只和電場這種物質本身有關，而與外界其他物質無關.但是電場力F=k?Qq?r?2?公式中，電場力除了與場源電荷Q和空間位置r有關系之外，還和試探電荷q有關.根據物質觀，在始終以電場為中心的研究對象中，我們需要排除試探電荷這個研究對象之外的物體，從而得出用試探電荷所受電場力與試探電荷電量的比值來描述電場性質的新的物理量——電場強度，從而突破難點，突出了重點，使得學生容易理解與掌握.另外從電場能的角度分析電場的性質，處理方法是一樣的，應用物質觀分析，再過渡得出電勢φ的比值定義式，學生能夠真正理解從而記得更牢固.再比如對檢驗電場用的試探電荷的要求，應用物質觀分析，此時我們的研究對象是待檢驗的電場，那么在研究時，不能改變原來的研究對象，若試探電荷不滿足電荷量足夠小，體積足夠小的特點，空間中某位置的電場將是原電場和試探電荷電場的矢量和，改變了原電場，因此試探電荷的特點就顯而易見了.

3 物質觀在計算電阻功率中的應用

在解決電路的動態分析問題中，計算可變電阻的最大功率是一個難點，常用等效法解決.

例2?如圖4閉合回路中，電源內外電壓之和為E、電池內部阻值為r，和一個定值電阻及滑動變阻器串聯，已知R?0=r，滑動變阻器的最大阻值是2r.若滑動變阻器的滑片從最左邊向右滑動，以下選項合理的是（?）.

A?.電源的輸出功率先變小后變大

B?.電源的輸出功率先變大后變小

C?.滑動變阻器消耗的功率變小

D?.定值電阻R?0上消耗的功率先變大后變小

4 物質觀在物理量確定中的應用

在天體運動中，多數學生對引力半徑、圓周運動的軌道半徑及中心天體的半徑三個量區分不開，解題思路清晰但是方程式不能完全寫對造成失分.根本原因還是沒能形成物質觀念，對研究對象的確定不能做到精準分析.在解決這類問題時，我們也是先確定要研究的對象和研究的問題，比如引力半徑的確定，然后根據牛頓第二定律方程F?引=m?v?2?r?=mrω?2=mr?4π?2?T?2?，從公式可以看到此時我們的研究對象是環繞天體或者物體，因此軌道半徑也是運動軌跡圓的半徑，即研究對象到圓心的距離.而中心?天體的半徑，只要我們確定了中心天體，就很容易對應起來.對于中心天體表面附近的圓周運動，三個半徑是相等的，在距離表面一定高度的圓周運動，引力半徑等于軌道半徑，在雙星模型、三星模型或者四星模型中，三個半徑各不相同，結合物質觀分析能夠迎刃而解.

牛頓第二定律F=ma，公式的形式很簡單，但在實際應用中，學生犯錯也比較多，錯誤的原因也很相似，就是當題目情境中的物體有兩個及以上時，容易張冠李戴.結合物質觀，我們首先確定要研究的物體m，在此基礎上，受力分析也只對選的m進行受力分析，加速度a也只針對選的m進行求解，從而做到一一對應便不會出錯.

5 物質觀在變質量問題中的應用

高中物理中涉及變質量的問題主要包括熱學中氣體計算類問題和動量中的流體類問題.熱學計算中常見的研究對象是活塞和氣體，如果是活塞，質量不變，題目類型相當于靜力學或者動力學問題，學生比較容易解決.當研究對象是氣體，尤其當氣體質量發生變化時，由于熱學中的所有定律都只適用于質量不變的氣體，學生常常對此束手無策.現就此類典型問題應用物質觀加以舉例分析.

在充氣放氣問題中，氣體從容器中放出來后，由于擴散，造成前后質量發生變化，學生在解題時找不到該選擇哪部分進行研究而困惑.從物質觀角度分析的話，如果是放氣問題，那么氣體初始狀態對應的是一整個容器中的氣體，因此放出的氣體在后續的問題中也需要考慮，可以假想出而不走，從而正確選擇了研究對象且保持不變.如果是充氣問題，由于氣體最終的狀態對應的也是一整個容器，而整個容器中的氣體是不斷充進去的，所以在選擇研究對象時需要將容器中原來的氣體和每次充的氣體整體作為研究對象.

在動量章節中，粒子流和液體流等流體類問題的質量都是連續變化的，和學生形成的恒質量問題的思維慣性不一致，導致研究對象無從選起，形成學習中的一大難點.為了突破該難點，也應該教學生建立物質觀.由于該類問題大多是求解接觸面上的沖擊力大小，而該沖擊力是接觸力，雖然液體是連續不斷流動的，但是在該問題中，真正產生作用的只是和作用面接觸的一小部分液體沖擊造成的，因此我們取極短時間Δt內的一小段液體或者微粒進行研究，已知速度是v，密度是ρ，接觸面積s，可以求出Δt時間內對應的液體質量為Δm=ρvsΔt，從而可以化變質量問題為恒質量問題，使問題得以簡化.

6 物質觀可以幫助我們正確地分析生活現象

樹立良好的物質觀，可以幫助人們理性地分析生活現象，不會盲目的輕信謠言.如圖5，在某次軍事演習活動時，有視頻拍到某架飛機后邊出現了一個不明物體，就有謠言稱不明物體是從飛機上掉落的艙門.后來有物理學者從物質觀的角度分析并辟謠，如果此物體真的是從飛機掉落的艙門或其他物體的話，那么在掉落以前，該物體和當時勻速飛行的?飛機保持相對靜止，掉落后該物體由于慣性，該物體在水平方向繼續做勻速直線運動和飛機保持相對靜止，不可能落到飛機后面去.后來事實證明視頻中的小黑點不是從飛機上掉落的物體，而是一架無人拍攝機.

由以上幾個事例可知，作為學習物理的學生，在學習生活中，需要形成良好的物質觀，時時做到眼中有具體確定的物，才能做到心中有所思.只有形成良好的物質觀念，在分析生活現象、分析物理問題中才不會因偏離方向而感到困惑，從而達到精準解決問題的目的.

參考文獻：

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