高中物理教師備課中的“深入”意識(shí)

1、高中物理教師備課中的“深入”意識(shí)福建省詔安縣教育局教研室 （363500） 特級(jí)教師 吳超男本文所謂的“深入”，是指高中物理教師在備課中通過(guò)對(duì)授課內(nèi)容及其相關(guān)知識(shí)的深刻理解和準(zhǔn)確把握，以及對(duì)授課核心內(nèi)容在教材體系中地位和作用的深度認(rèn)識(shí)，從而達(dá)到對(duì)其重點(diǎn)、難點(diǎn)和疑點(diǎn)摸準(zhǔn)吃透、了然于胸的高境界；并因此能夠做到在課堂教學(xué)中科學(xué)和適度的“淺出”，讓學(xué)生從易懂會(huì)學(xué)到真懂巧學(xué)，實(shí)現(xiàn)物理高效課堂教學(xué)的目標(biāo)。一、對(duì)物理概念和規(guī)律寬透理解的“深入”意識(shí)物理概念是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其屬性的一種思維方式的客觀反映，是物理學(xué)的精髓；物理規(guī)律是物質(zhì)屬性的內(nèi)在聯(lián)系，是物理學(xué)的靈魂。為此，引導(dǎo)學(xué)生深化對(duì)物理概念和規(guī)律內(nèi)涵的理解掌握

2、，是正確求解物理問(wèn)題的前提與基礎(chǔ)。例1、理清交流電有效值的來(lái)龍去脈交流電的有效值是根據(jù)純電阻電路中電流的熱效應(yīng)來(lái)規(guī)定的：如果讓交流電和直流電通過(guò)同樣阻值電阻且兩電阻在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生熱量相等，物理學(xué)上就把這一直流電的數(shù)值稱為這一交流電的有效值。當(dāng)然這里所說(shuō)的數(shù)值，既可以是電流值，也可以是電壓值或電勢(shì)差值。如在圖1所示的電路中，一理想變壓器原線圈跟副線圈匝數(shù)比，電源電壓=220V，是額定電流A的保險(xiǎn)絲，是可變電阻。為了不使原線圈中電流超過(guò)，調(diào)節(jié)電阻R其阻值最低不能小于多少？N1N2RAU引導(dǎo)點(diǎn)撥：要使原線圈中電流不超過(guò)，則輸入功率不應(yīng)超過(guò)。設(shè)副線圈兩端電壓為，流過(guò)電流為，據(jù)理想變壓器原理得： 圖1

3、 （1）又有 （2）及； （3）以上三式聯(lián)立求解，可得W但眾多學(xué)生對(duì)以上正確思路并不認(rèn)同，他們固執(zhí)、錯(cuò)誤地以為：如果用220 V的有效值去計(jì)算，得到的最低阻值是880 W，但電壓的瞬時(shí)值可達(dá) V；所以應(yīng)該用V代入計(jì)算。因此，將上列各式中出現(xiàn)的地方統(tǒng)統(tǒng)改為交流電的極大值，使最后得數(shù)變?yōu)閃，從而斷定最低阻值880 W是錯(cuò)誤的。他們堅(jiān)信，若真的將880W的電阻接入電路，則當(dāng)電壓達(dá)最大值時(shí)，由于，變壓器的初級(jí)電流會(huì)超過(guò)題目所告訴的值，保險(xiǎn)絲就會(huì)熔斷。這種似是而非的分析在學(xué)生中很有代表性。這些學(xué)生顯然對(duì)交流電的有效值概念不清楚，不理解有效值的來(lái)龍去脈，不懂得交流電與直流電熱效應(yīng)的等效性；實(shí)際上由于熱量的

4、積累需要一個(gè)過(guò)程，對(duì)于電流熱效應(yīng)問(wèn)題，瞬時(shí)值沒(méi)有任何實(shí)際意義。此題中保險(xiǎn)絲的熔斷就純屬熱效應(yīng)問(wèn)題。另一方面，如果是在電容器兩端加上有效值220 V的交流電，那么這個(gè)電容器的耐壓值最少應(yīng)該多大時(shí)才不會(huì)被擊穿呢？這個(gè)問(wèn)題則與上述情況不同；此時(shí)電容器耐壓值應(yīng)不低于 V。顯然，電容器是否會(huì)被擊穿不屬于電流熱效應(yīng)范疇，而是電介質(zhì)絕緣性能遭到破壞的問(wèn)題。某種介質(zhì)材料所能承受最大電場(chǎng)強(qiáng)度稱為該種介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；只要場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)值大于擊穿場(chǎng)強(qiáng)，介質(zhì)就可能被擊穿，并不需要有一個(gè)積累過(guò)程；這是與電流熱效應(yīng)性質(zhì)不同之處。深思小結(jié)：所謂交流電有效值，是指在同一時(shí)間內(nèi)與直流電產(chǎn)生相同熱效應(yīng)的交流電數(shù)值。對(duì)此更要深入具體理解

5、：有效值是能等效替代交流電的直流電數(shù)值；有效值是根據(jù)電流通過(guò)電阻時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng)來(lái)定義的；所說(shuō)的等效前提條件是“同一電阻”和“同一段時(shí)間”。對(duì)于周期性交流電，應(yīng)取其周期的整數(shù)倍；亦即保證足夠的考察時(shí)間。例2、正確理解 “摩擦做功”和“摩擦生熱”關(guān)系 “摩擦生熱”是人所共知的俗語(yǔ)，但如果以為摩擦一定會(huì)“生熱”，摩擦力做功就一定“生熱”，那就是非常片面的理解了。實(shí)際上，摩擦力可以是物體的動(dòng)力，也可以是阻力；當(dāng)然摩擦力也就既能做正功又能做負(fù)功。物體間有靜摩擦力相互作用時(shí)兩物體相對(duì)靜止，但物體可以對(duì)地移動(dòng)，所以靜摩擦力也可能做功。如把工件放在輸送帶上，相對(duì)輸送帶靜止一起做加速或減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸送帶上的工件所

6、受靜摩擦力分別對(duì)工件做正、負(fù)功。另有一個(gè)容易被忽視的問(wèn)題是：摩擦力可以不做功。比如，以地面為參照系時(shí)，車輪輪胎所受地面的靜摩擦力由于其作用點(diǎn)沒(méi)有位移而不對(duì)輪胎做功。由物理知識(shí)可知，一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)相互作用的一對(duì)摩擦力所做功的絕對(duì)值之差等于摩擦而轉(zhuǎn)化的內(nèi)能（熱），而等于摩擦力與相摩擦的兩物體位移之差的乘積，即。當(dāng)相互作用物體間產(chǎn)生的力是一對(duì)靜摩擦力時(shí)兩物體間無(wú)相對(duì)位移，即，由此得。所以，在以上所說(shuō)的靜摩擦力做功過(guò)程中并沒(méi)有伴隨著機(jī)械能的損耗，顯然不存在機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化問(wèn)題。其實(shí)，靜摩擦力做功只能使系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械能在物體間傳遞或發(fā)生機(jī)械能形式的轉(zhuǎn)換，因而機(jī)械能是守恒的。深思小結(jié)：當(dāng)兩個(gè)相互作用并產(chǎn)生

7、摩擦力的物體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)（互以對(duì)方為參考對(duì)象）時(shí)，摩擦力所做的功才將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，也就是“生熱”了，因?yàn)?。無(wú)疑，滑動(dòng)摩擦力做功時(shí)就有機(jī)械能的損失，存在“摩擦生熱”問(wèn)題，機(jī)械能不守恒；而靜摩擦力做功時(shí)并不產(chǎn)生機(jī)械能與其它形式能的轉(zhuǎn)化，此時(shí)摩擦并不“生熱”。二、對(duì)物理核心知識(shí)點(diǎn)深度把握的“深入”意識(shí)沒(méi)有對(duì)核心知識(shí)點(diǎn)的深度把握，就沒(méi)有對(duì)學(xué)科知識(shí)體系的系統(tǒng)駕馭和科學(xué)應(yīng)用，也就談不上擁有系統(tǒng)和深厚的物理素養(yǎng)和物理思想。例3、對(duì)場(chǎng)源電流變化引起所產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨之變化問(wèn)題的深度認(rèn)識(shí)由導(dǎo)體切割磁感線與由閉合電路中磁場(chǎng)變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)兩種情況微觀機(jī)制不同；從以下例子我們就清楚了這個(gè)本質(zhì)區(qū)別。前者洛侖茲力為非

8、靜電力，后者感應(yīng)電場(chǎng)力為非靜電力；非靜電力搬運(yùn)電荷做功，都是把其它形式能轉(zhuǎn)化為電能。洛侖茲力雖然不做功，卻是不同形式能量轉(zhuǎn)化的橋梁。× × ×× × ×× × ×× × ×× × ×× × ×× × × × ×× × × × ×× × × × ×× ×

9、; × × ×× × × × ×× × × × ×× × × × ×× × × × ×B1B2 B1B2甲 乙圖2如圖2：甲、乙兩個(gè)帶電粒子，以相同的動(dòng)能在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。甲從區(qū)域運(yùn)動(dòng)到區(qū)域，且；乙在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且在時(shí)間內(nèi)，該磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度從增大到。則當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到時(shí)，甲、乙兩粒子的動(dòng)能變化情況是：A、都保持不變；B、甲不變，乙增大；C、甲增大，乙不變；D

10、、甲不變，乙減??；E、甲減小，乙增大。引導(dǎo)點(diǎn)撥：本題正確答案為B；不少卻以為A才對(duì)。他們認(rèn)為：雖然磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化會(huì)使在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的甲、乙兩粒子所受的洛侖茲力大小也發(fā)生變化，不過(guò)由于洛侖茲力并不做功，所以兩粒子動(dòng)能會(huì)保持不變。實(shí)際上這種分析只對(duì)甲粒子成立。對(duì)乙粒子而言，由于磁場(chǎng)從增大到的過(guò)程中，變化的磁場(chǎng)將產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，由楞次定律判斷出，感應(yīng)電場(chǎng)的方向?yàn)檎曧槙r(shí)針?lè)较?。假如乙粒子帶正電，由左手定則可知該粒子必然正視順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣感應(yīng)電場(chǎng)力將對(duì)其做正功，粒子動(dòng)能增大（當(dāng)然，感應(yīng)電場(chǎng)力對(duì)負(fù)粒子做正功，同樣可使粒子動(dòng)能增大）。毫無(wú)疑問(wèn)，在感應(yīng)電場(chǎng)力作為非靜電力做功的過(guò)程中，是把產(chǎn)生變化磁場(chǎng)的場(chǎng)

11、源電流的電能轉(zhuǎn)化為帶電粒子的動(dòng)能，這正是問(wèn)題的實(shí)質(zhì)所在。深思小結(jié)：場(chǎng)源電流發(fā)生變化引起所產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨之變化問(wèn)題，只能用楞次定律判定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流方向，不能用右手定則；而導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向既可以用右手定則，也可以用楞次定律來(lái)判定。楞次定律可廣泛適用于因磁通變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象；其實(shí)右手定則的判定可以視為楞次定律使用的特例。三、對(duì)物理疑難問(wèn)題剖析釋惑的“深入”意識(shí)物理疑難問(wèn)題大量且客觀存在，教師更應(yīng)當(dāng)去勇敢面對(duì)。只有清醒的老師，才會(huì)有智慧的學(xué)生。例4、 “光電效應(yīng)”疑云的驅(qū)散“光電效應(yīng)”在中學(xué)物理“光的本性”這一板塊中占有顯著位置，在光電效應(yīng)教學(xué)中，學(xué)生常常會(huì)提出如下疑問(wèn)

12、：入射光頻率等于極限頻率時(shí)，能否產(chǎn)生光電效應(yīng)呢？現(xiàn)行教材及相關(guān)教輔材料都對(duì)光電效應(yīng)有比較一致的說(shuō)法：“物質(zhì)在光的照射下釋放出電子的現(xiàn)象”；“在光的照射下從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象”；“在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象”等等；當(dāng)然前面所提到的光均含不可見(jiàn)光。同時(shí)也都這樣表述：“任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)頻率不能發(fā)生光電效應(yīng)”。美國(guó)高中主流理科教材2008版物理：原理與問(wèn)題一書(shū)也認(rèn)為：“電磁輻射照射到物體上并使其發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)”；顯然電磁輻射比光所涉范圍要廣得多但不矛盾，以上光電效應(yīng)各種表述是容易形成共識(shí)的。但現(xiàn)在的問(wèn)題

13、是：當(dāng)入射光頻率等于極限頻率時(shí)，究竟能不能產(chǎn)生光電效應(yīng)呢？答案是肯定的。由于極限頻率，根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，當(dāng)時(shí)，。這就是說(shuō)，當(dāng)入射光頻率等于極限頻率（又叫截止頻率）時(shí)，電子能夠從金屬表面發(fā)射出來(lái)，也就是能夠從金屬表面脫出，只不過(guò)脫出后電子速度為零。如果這時(shí)有外電場(chǎng)存在，電子從金屬表面脫出后將作定向移動(dòng)形成光電流。毋庸置疑，從這個(gè)意義上說(shuō)，入射光頻率等于極限頻率時(shí)，能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)。物理：原理與問(wèn)題有一段表述：“當(dāng)入射光的頻率等于或大于截止頻率時(shí)，增加照射光的強(qiáng)度，光電流就會(huì)增大”。這有力地支持了以上觀點(diǎn)。深思小結(jié)：存在多年的中學(xué)物理教師手冊(cè)在定義極限頻率時(shí)指出：“僅當(dāng)光照射物體的光頻率不

14、小于某個(gè)確定值，物體才能發(fā)出光電子，這個(gè)頻率就叫做極限頻率”這里“不小于”即包括“大于”和“等于”的情況。還有不少的習(xí)題中就有“使XXX產(chǎn)生光電效應(yīng)的光子最長(zhǎng)波長(zhǎng)”等等這一提法，同樣說(shuō)明了這一點(diǎn)。例5、正確認(rèn)識(shí)核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損問(wèn)題如果只考慮核反應(yīng)前后的靜質(zhì)量之差，而沒(méi)有考慮核反應(yīng)后的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量部分，也就是沒(méi)有把核反應(yīng)后產(chǎn)物的增益質(zhì)量、輻射出的光子質(zhì)量計(jì)算在內(nèi)的話，那么靜質(zhì)量不守恒；質(zhì)量虧損結(jié)論就是在這種條件下得到的。質(zhì)量虧損是指核反應(yīng)前所有核子質(zhì)量之和與反應(yīng)后所有核子質(zhì)量之和的差值。當(dāng)然，按照愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，質(zhì)量和能量是相關(guān)的；核反應(yīng)存在質(zhì)量虧損是否意味著違背質(zhì)量守恒定律呢？事實(shí)并非如此；教學(xué)

15、中要謹(jǐn)防把質(zhì)量虧損誤解為形成微觀世界的質(zhì)量不守恒。其實(shí)如果能夠正確理解質(zhì)量守恒定律，那么核反應(yīng)前后是不存在質(zhì)量虧損的。首先，這里的質(zhì)量是相對(duì)論質(zhì)量；其次，是總質(zhì)量守恒，除了核反應(yīng)產(chǎn)物，各種射線質(zhì)量也必須計(jì)算在內(nèi)；第三，要認(rèn)識(shí)到質(zhì)量在形式上的轉(zhuǎn)化，例如通常遇到的靜質(zhì)量轉(zhuǎn)化為核反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量和輻射出的光子的質(zhì)量。深思小結(jié)：對(duì)質(zhì)量守恒的正確理解是認(rèn)識(shí)質(zhì)量虧損的前提。在原子核教學(xué)中，要特別有意防止在觀點(diǎn)上講死、內(nèi)容上講錯(cuò)的情況；同時(shí)，要注意引導(dǎo)學(xué)生簡(jiǎn)單地了解一些新觀點(diǎn)和定性地了解一些新內(nèi)容，突破經(jīng)典力學(xué)觀念上的束縛。四、對(duì)物理解題思路拓展升華的“深入”意識(shí)物理題型繁多且千變?nèi)f化，解決方法各異；至于究竟

16、用哪一種方法去解題，拓展方法多多，勿需多言，現(xiàn)僅舉幾例：例6、柳暗花明的辯證轉(zhuǎn)換ABR2rCDP圖3 如圖3，ABCD是一位于豎直平面內(nèi)光滑軌道，水平部分BC較長(zhǎng)，其兩端分別與半徑為R的圓弧AB和半徑為r的半圓弧CD相切。從水平軌道上的P點(diǎn)斜向上拋出一小球，正好使小球沿水平方向進(jìn)入半圓弧最高點(diǎn)D，然后沿軌道運(yùn)動(dòng)一直上升到圓弧軌道的最高點(diǎn)A。求：（1）小球拋出的初速度大小和方向；（2）拋出點(diǎn)P到C的距離。引導(dǎo)點(diǎn)撥：此類題解答時(shí)很容易從小球運(yùn)動(dòng)方向PDCBA正向思考，按部就班。其中涉及到PD的斜拋運(yùn)動(dòng)，求解過(guò)程會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，自然容易出錯(cuò)，往往最終功敗垂成。應(yīng)該活學(xué)活用，巧用逆向思維設(shè)想小球從A靜止釋

17、放，經(jīng)B、C到D，然后從DP做平拋運(yùn)動(dòng)，這樣一來(lái)，不就簡(jiǎn)明快捷得多了嗎。（1）小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只有重力對(duì)它做功，當(dāng)然機(jī)械能守恒，則：，又小球從D到P是做平拋運(yùn)動(dòng)，可得，這樣與水平方向夾角為。（2） =深思小結(jié)：很多問(wèn)題的解決往往都有相對(duì)固定的思維方式，但正面的思維有時(shí)并不能獲得滿意的進(jìn)展；其實(shí)反過(guò)來(lái)想一想，說(shuō)不定會(huì)創(chuàng)造出意想不到的效果。在符合物理理論依據(jù)的框架內(nèi)，針對(duì)題目實(shí)際情況，實(shí)施辯證轉(zhuǎn)換，卻常?？梢允鼓承┘謫?wèn)題的解答過(guò)程峰回路轉(zhuǎn)。例7、解題中數(shù)學(xué)意識(shí)的強(qiáng)化如圖4所示：在豎直平面內(nèi)有一圓環(huán)，在同一平面內(nèi)有一點(diǎn)A，問(wèn)應(yīng)選擇怎樣的光滑直軌道，才能使得自A沿該軌道無(wú)初速滑下的物體到達(dá)圓周所用的時(shí)

18、間最短？圖4 圖5引導(dǎo)點(diǎn)撥：過(guò)A點(diǎn)任引一條光滑直軌道AD，交圓環(huán)于C、D兩點(diǎn)。設(shè)AD與DE的夾角為，過(guò)A點(diǎn)作水平線DE的垂線，交DE于E點(diǎn)，如圖5所示。因?yàn)樗該?jù)平面幾何中的“切割線定理”得 ，故其中AB為自A點(diǎn)所作該圓環(huán)一條切線的長(zhǎng)，當(dāng)A點(diǎn)和圓環(huán)相對(duì)位置確定后，AB即為一定值。這樣，AE值越大，t值就越小。而由圖5可知，AE的最大值應(yīng)出現(xiàn)在當(dāng)D點(diǎn)沿圓環(huán)移到最低點(diǎn)F處時(shí)，此時(shí)。也就是說(shuō)，應(yīng)當(dāng)選擇如圖5所示的AF軌道，此時(shí)物體自A點(diǎn)無(wú)初速滑下到達(dá)圓環(huán)（G點(diǎn)）所需時(shí)間才最短。深思小結(jié)：學(xué)生數(shù)學(xué)意識(shí)淡薄是解答相當(dāng)一部分物理題失敗的原因。強(qiáng)化物理解題過(guò)程中的數(shù)學(xué)意識(shí)，防止思維的僵化與思路的閉塞，提高學(xué)

19、生應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問(wèn)題的能力絕不能掉以輕心。例8、解題思維的開(kāi)放及特殊點(diǎn)切入的果敢如：已知萬(wàn)有引力常量G，地球半徑，月球和地球之間的距離，同步衛(wèi)星距地面的高度，月球繞地球的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，地球的自轉(zhuǎn)周期，地球表面的重力加速度g。某學(xué)生根據(jù)以上條件，提出一種估算地球質(zhì)量的方法：同步衛(wèi)星繞地心作圓周運(yùn)動(dòng)，由，得。（1）請(qǐng)判斷上面的結(jié)果是否正確，并說(shuō)明理由；如不正確，請(qǐng)給出正確的解法和結(jié)果。（2）請(qǐng)根據(jù)已知條件再提出兩種估算地球質(zhì)量的方法并解得結(jié)果。引導(dǎo)點(diǎn)撥：（1）此結(jié)果錯(cuò)誤。地球半徑在計(jì)算過(guò)程中不能忽略。正確的解法和結(jié)果：，得（2）方法1：對(duì)月球繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)。由，得方法2：在地面重力近似等于萬(wàn)有引力

20、，由，得深思小結(jié)：此類題具有明顯的開(kāi)放性，啟示我們物理問(wèn)題的估算方法往往不止一種，要善于應(yīng)用不同方法從不同角度對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行估算，同時(shí)比較出不同方法的優(yōu)劣。又如2012年福建省高考?jí)狠S題：圖6甲，在的空間中存在沿軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直于平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為。一質(zhì)量為，帶電量為的粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)處，以初速度沿軸正方向射入，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖甲，不計(jì)粒子的重力。（1）求該粒子運(yùn)動(dòng)到時(shí)的速度大?。唬?）現(xiàn)只改變?nèi)肷淞Ｗ映跛俣鹊拇笮?，發(fā)現(xiàn)初速度大小不同的粒子雖然運(yùn)動(dòng)軌跡（曲線）不同，但具有相同的空間周期性，如圖乙所示；同時(shí)，這些粒子在軸方向上的運(yùn)動(dòng)（關(guān)系）是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，且都有相同的周期。求粒子在一個(gè)周期T內(nèi)，沿軸方向前進(jìn)