沈洪生

摘 ? 要：習(xí)題教學(xué)也是物理課程教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在習(xí)題課堂中可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。本文探討完全失重習(xí)題講解中對(duì)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理習(xí)題;完全失重;分析思維;實(shí)驗(yàn)探究

超、失重是牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決動(dòng)力學(xué)問題的一個(gè)重要課例，也是牛頓第二定律應(yīng)用類型問題的典范。完全失重又是超、失重問題中的一個(gè)特例，在生活中常見，應(yīng)用廣泛，所以備受命題者青睞。而這一類問題，對(duì)教師來(lái)講，一直就是將其當(dāng)作一種簡(jiǎn)單容易題來(lái)對(duì)待。在講評(píng)試題時(shí)也經(jīng)常就以“因?yàn)槭е亍被颉霸谕耆е貭顟B(tài)下”這樣一句帶過(guò)，以為這樣就能給學(xué)生解析清楚了，其實(shí)不然。對(duì)初學(xué)者來(lái)講，教師若是一味地只給他們強(qiáng)制性灌輸固化的結(jié)論和要求去死記一些客觀現(xiàn)象以達(dá)到解題目的的話，這樣會(huì)約束學(xué)生的科學(xué)思維發(fā)展和物理學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成。會(huì)導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)學(xué)不“活”，記不“牢”，用不“準(zhǔn)”等狀況。當(dāng)問題的情景一旦較有迷惑性、設(shè)問角度做些變化時(shí)，就很容易被混淆掉。從而引起辨析不清，落入陷阱，誤選誤解。

1 ?問題展現(xiàn)

【例題1】如圖1所示，用細(xì)繩豎直懸掛起來(lái)的木箱A的底面上放有重為G的物體B，當(dāng)剪斷細(xì)繩后，忽略空氣阻力的影響，關(guān)于物體B對(duì)箱子底面壓力大小F，下列判斷正確的是（ ? ? ?）

A.F越來(lái)越小

B.F越來(lái)越大

C.F仍然等于重力G

D.F馬上變?yōu)榱?/p>

剪斷繩子，A、B一起做自由落體運(yùn)動(dòng)，完全失重，正確答案選D。

試題講評(píng)時(shí)如果沒有深入地跟學(xué)生分析上面物體為什么“失重”的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)原因，而是直接就以“這就是一個(gè)完全失重的現(xiàn)象，象坐升降電梯時(shí)人與轎廂一起自由下落時(shí)人對(duì)地板沒有壓力一樣”，這樣給學(xué)生解析，學(xué)生固然會(huì)懂了。但是一旦遇到下面問題，又會(huì)犯錯(cuò)。

【例題2】如圖2所示，A、B兩物體疊放在一起，以相同的初速度上拋（不計(jì)空氣阻力）。下列說(shuō)法正確的是（ ? ? ?）

A.在上升和下降過(guò)程中A對(duì)B的壓力一定為零

B.上升過(guò)程中A對(duì)B的壓力大于A物體受到的重力

C.下降過(guò)程中A對(duì)B的壓力大于A物體受到的重力

D.在上升和下降過(guò)程中A對(duì)B的壓力等于A物體受到的重力[ 1 ]

這個(gè)題目，表面上是對(duì)完全失重問題的考查，一般教師都會(huì)認(rèn)為不難，以為學(xué)生也容易理解，會(huì)掌握。其實(shí)直至高三第一輪復(fù)習(xí)的訓(xùn)練中，還是出現(xiàn)有不少學(xué)生錯(cuò)選B，甚至也有錯(cuò)選了D的。通過(guò)不斷與學(xué)生的交流了解，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)橛械膶W(xué)生認(rèn)為在上升過(guò)程中A擋著B，B推著A所以A、B間還是有相互作用的，這個(gè)作用力大于A的重力;也有的學(xué)生認(rèn)為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中A、B仍是緊貼在一起的，象在地面上一樣的狀況，所以A對(duì)B還是有壓力，B對(duì)A還是有支持力的，這個(gè)作用力大小仍等于A的重力。犯這些錯(cuò)誤的學(xué)生都是對(duì)“失重”“完全失重”等物理觀念沒有真正掌握和領(lǐng)悟。因而犯“經(jīng)驗(yàn)主義”，被“直觀現(xiàn)象混淆”而錯(cuò)。

要糾正學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的解題能力，養(yǎng)成良好科學(xué)思維和學(xué)科素養(yǎng)。教師應(yīng)該在例題1練習(xí)完成后，要讓學(xué)生緊接著訓(xùn)練例題2，再針對(duì)這個(gè)題目深入地剖析其中的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)原因，訓(xùn)練對(duì)超、失重問題如何應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律正確進(jìn)行解答、解釋。

2 ?從科學(xué)思維入手分析推理講評(píng)，并以科學(xué)探究驗(yàn)證手段進(jìn)行論證

第一步，可以假設(shè)法、整體法、隔離法入手，結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析進(jìn)行理論證明。

假設(shè)A對(duì)B有一個(gè)壓力N，依牛頓第三定律，B對(duì)A反作用力N'，如圖3所示。

顯然，aA

如果假設(shè)二者之間無(wú)相互作用的彈力，則對(duì)A有aA=g，對(duì)B有aB=g，它們構(gòu)成一個(gè)整體，加速度也是a=g，因而能夠在空中保持一致同步運(yùn)動(dòng)。

所以二者實(shí)際上是處于有接觸但不擠壓，無(wú)彈力的狀態(tài)。所以只能選A。

第二步，再輔以實(shí)驗(yàn)探究，進(jìn)一步驗(yàn)證。

課前器材準(zhǔn)備：扎有一些小孔的大容積可樂瓶，水，細(xì)線。

實(shí)驗(yàn)（一）：將周邊扎有小孔的大容積可樂瓶裝滿水后，用細(xì)線懸掛起來(lái)，讓學(xué)生觀察。會(huì)發(fā)現(xiàn)水流從小孔噴射出水柱。再將細(xì)線突然剪斷，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)瓶子自由下落，水柱消失（對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程剪圖如圖4所示）。啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生思考回答，是因?yàn)樗耆е?，?duì)瓶底瓶壁無(wú)壓力，所以水不會(huì)再噴出來(lái)。

結(jié)論：做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體處于完全失重狀態(tài)，對(duì)相互接觸的物體無(wú)壓力作用。

實(shí)驗(yàn)（二）：將上面實(shí)驗(yàn)中裝滿水的可樂瓶斜向上拋出，讓學(xué)生觀察其上升下降整個(gè)過(guò)程中的現(xiàn)象。會(huì)發(fā)現(xiàn)原來(lái)水瓶靜置時(shí)從小孔噴射出來(lái)的水柱同樣也消失了（對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程剪圖如圖5所示）。也是因?yàn)樗耆е?，?duì)瓶底瓶壁無(wú)壓力，所以水不再噴出來(lái)。

結(jié)論：做拋體運(yùn)動(dòng)的物體處于完全失重狀態(tài)，對(duì)相互接觸的物體無(wú)壓力作用。

第三步，思維拓展，現(xiàn)象整合。

浮力現(xiàn)象也是生活中學(xué)生比較熟悉的，跟重力緊密相關(guān)。浮力的產(chǎn)生是因?yàn)橐海猓w受到重力作用產(chǎn)生液（氣）體壓強(qiáng)的效果體現(xiàn)。那么，如果像上述兩例那樣，被拋擲在空中處于完全失重的容器內(nèi)部的液體里，還會(huì)有浮力現(xiàn)象嗎？結(jié)合這個(gè)設(shè)問給學(xué)生再思考下面例題。

【例題3】如圖6所示，一裝有水的大塑料杯A，用細(xì)繩a豎直懸掛起來(lái)。在容器底部附近用細(xì)繩b栓住一木塊B（密度小于水的密度）。當(dāng)剪斷a繩后，在自由下落的過(guò)程中再剪斷b繩。試問，木塊相對(duì)水將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)？

A.向上浮

B.向下沉

C.上、下竄動(dòng)

D.仍在水面下原深度處不浮不沉

這時(shí)提問學(xué)生作答，因?yàn)橛辛饲懊娴闹R(shí)鋪墊，絕大多數(shù)學(xué)生會(huì)正確選出D選項(xiàng)了。并會(huì)解釋是因?yàn)樗腿萜饕黄鹱杂上侣鋾r(shí)，a=g。在完全失重狀態(tài)下，液體壓強(qiáng)消失，浮力也隨之消失，所以比水輕的木塊在水中也不會(huì)“上浮”了。這個(gè)題目的真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境要用高速攝影裝置和特殊實(shí)驗(yàn)器材才能完成，課堂教學(xué)中比較難以同步實(shí)現(xiàn)?？山柚捌阡浿坪玫囊曨l來(lái)播放給學(xué)生觀察。

最后總結(jié)以下結(jié)論：當(dāng)物體在豎直方向具有a=g的加速度時(shí)，無(wú)論是自由下落，還是上拋、平拋、斜拋等拋體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都是處于完全失重狀態(tài)，日常中物體體現(xiàn)出來(lái)的一些重力現(xiàn)象如“壓、拉、沉、浮”等等都會(huì)消失不見。而普通的失重則是因?yàn)槲矬w具有一個(gè)小于g值的向下加速度a（a<g）時(shí)，物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)依K的拉力）小于物體實(shí)際重力的現(xiàn)象;超重則是因?yàn)槲矬w具有向上加速度a時(shí)，物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)依K的拉力）大于物體實(shí)際重力的現(xiàn)象。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

這樣的習(xí)題講解，從牛頓運(yùn)動(dòng)定律入手，通過(guò)受力分析、加速度推導(dǎo)求解并進(jìn)行比較，最后又加以實(shí)際實(shí)驗(yàn)探究求證，再將關(guān)聯(lián)知識(shí)串起來(lái)講。在老師的引導(dǎo)下，一系列操作下來(lái)，學(xué)生能更準(zhǔn)確掌握超重、失重、完全失重等科學(xué)的物理觀念，形成了以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫹治鏊季S，科學(xué)的理論依據(jù)和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果來(lái)正確認(rèn)識(shí)一些與常識(shí)表象不符的物理現(xiàn)象，并做出解析。從而實(shí)現(xiàn)了基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的習(xí)題教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張泉.牛頓運(yùn)動(dòng)定律的綜合應(yīng)用.高中全程復(fù)習(xí)方略： 高中物理版[M].杭州：浙江科學(xué)出版社，2021：46-47.