学习加速度减小的加速运动的思维障碍及其对策

学习“加速度减小的加速运动”的思维障碍及其对策

在高中的物理学习中，我们经常会遇到加速度减小而速度增大的运动。从高空有一小球自由下落，与直立的轻质弹簧发生碰撞，在小球到达平衡位置的过程中，由于小球所受的向下的重力不变，而向上的弹力逐渐增大，但小于重力，所以小球所受的合力方向向下，大小逐渐减小，因此，加速度减小，但运动速度逐渐增大。但许多学生错误地认为加速度减小，速度一定是减小的。在简谐运动中，弹簧振子回到平衡位置的运动过程，弹簧振子做的也是加速度减小的加速运动。再比如，汽车以恒定的功率启动过程中，所做的运动也是加速度减小的加速运动。这类运动相对于匀变速直线运动要复杂，学生学习这部分知识普遍感到困难，如果不能正确的理解和掌握加速度减小的加速运动，将直接影响对运动物体全过程的正确分析，也就无法处理和解决这一类问题。所以把加速度减小的加速运动作为一个专题进行全面而系统的学习，为解决这类问题打下基础是很有必要的。学生为什么会对这类运动的理解普遍存在困难？根据我多年教学经验，直接影响对这种变速直线运动的理解和掌握，主要存在以下几种思维障碍：(1)“先入为主”的生活经验造成的思维障碍“先入为主”的生活经验对物理的学习有积极的促进作用，但是感性的生活经验对物理概念的认识、物理规律的理解，很可能起到消极的作用，造成一定的学习障碍。学生从小置身于千变万化的世界中，会自然地从生活周围获得有关物理方面的感性认识，形成一定的生活观念和经验，这是学生学习物理知识的前提条件，但是在许多物理问题上，他们往往有想当然的思想，这是完全可以理解的。亚里士多德这样的巨擘都犯大铁球先于小铁球落地的错误，何况是学生。类似的情况很多，许多学生都有这样的生活经验，用力推动一辆小车，小车的速度跟推力的大小成正比，推力越大，小车运动的就越快，速度就越大；反之，推力越小，小车运动的就越慢，速度就越小。实际上，这种生活中形成的经验是片面，结论是错误的，而学生把这种片面的、错误的经验想当然地移植到上述运动中，错误地认为物体的加速度减小，速度也一定是减小的。(2)感性认识不足造成的思维障碍物理学是一门以实验为基础的科学，物理规律是观察实验、物理思维和数学推理相结合的产物，通过观察实验获得的对物理现象、物理过程的感性认识，是理解物理规律的条件。如果没有足够的、能够把有关的物理现象及其之间的联系鲜明地展示出来的实验或学生日常生活中所熟悉的、曾经亲身感受过的事例作为基础，学生就很难理解物理规律，造成学习物理规律的思维障碍。许多教师在教学过程中，为了省事，直接在黑板上讲解物体的运动过程，没有做相应的演示实验或学生实验，学生对于加速度减小的加速运动的物理过程缺乏感性认识，另外，也没有能够恰当地例举生活中的典型事例，创设良好的物理环境，唤起学生已有的感性认识。(3)相近物理概念混淆形成的思维障碍速度和加速度既相互联系又相互区别，具有不同的本质属性。有的学生对它们的理解不透，区分不清，加上头脑中没有完整的物理情景，容易将它们之间的关系简单化，要么同时变大，要么同时变小。速度是表示物体运动的快慢的物理量，而加速度是表示速度变化快慢的物理量。许多学生错误地认为，物体的加速度大，速度就大，加速度变大时，速度就随之变大；物体的加速度小，速度就小，加速度减小时，速度也随之减小。(4)忽略了隐含条件形成的思维障碍学生运用物理知识解决实际问题时，常常忽略隐含条件，不能全面地分析问题而形成思维障碍。对于变速直线运动，加速度的方向与速度方向相同时，物体做加速运动，而方向相反时，物体做减速运动。学生分析物体的变速运动时，只考虑到了加速度的大小，而忽略了加速度的方向，造成了加速度减小，而速度一定减小的思维障碍。为了有效克服以上所述的几种主要的思维障碍，笔者在教学中主要采取了以下几种教学策略：(1)利用形象的生活事例作比喻，帮助学生克服思维障碍在讲解这种运动时，首先使学生回忆加速度的物理含意，加速度是表示速度变化快慢的物理量，在数值上等于单位时间内增大（或减小）的速度，如加速度，表示每秒钟速度增大（或减小）2m/s。如果运动物体的加速度减小，则表示每秒钟增大（或减小）的速度在减少。我们可以列举生活中的一些例子，例如，我们可以拿银行存款为例，你在银行中原来的存款金额为50元，从现在开始第一个月存入40元、第二个月存入35元、第三个月存入30元……从每月存入的钱数来看，在减少，但你的存款金额在增加。同理，比如弹簧振子向平衡位置运动过程中，加速度在减小，即每秒钟增加的速度在减小，但振子的运动速度在增大。(2)利用图像，帮助学生克服思维障碍图1为了解决这个问题，教师在教学过程中，可以利用图像及斜率的有关知识，去帮助学生提高应用图像理解、分析和解决问题的能力，达到克服学生思维障碍的目的。如图1所示，在v-t图像中，曲线各点的斜率k表示各时刻的瞬时加速度，即，物体从到的运动过程中，斜率k在减小，即加速度在减小，但物体的运动速度从增大到，物体做的是加速度减小的加速运动。(3)设计合理的实验，有效突破学生思维障碍物理学是一门以实验为基础的科学，实验在学生智能结构的发展中占有重要的地位。通过实验，学生能够对物理事实获得具体的明确的认识，这种认识是理解物理规律的必要基础。为了克服学生在学习中的思维障碍，笔者设计了如下实验，以突破学生的思维障碍，充分理解加速度减小的加速运动。图2如图2所示，水平桌面上放一块带滑轮的木板，木板上放一辆小车，前端用细线通过滑轮挂一只塑料小瓶，小车的后端连接纸带，让纸带穿过打点计时器，以便记录小车的运动情况。首先在塑料小瓶中注入适量的水，使小车做匀速直线运动，通过纸带上打出的点可以判断小车是否做匀速直线运动，若点分布均匀，说明小车做的是匀速直线运动。然后，在塑料小瓶的下面再挂一只小漏斗瓶，旨在产生附加拉力，用注射器在小漏斗瓶中注满水（手指堵住出水口），放手后，由于附加拉力的作用，小车做加速运动，同时看到，小漏斗瓶中的水不断地流出，说明拉力在减小，车的加速度在减小。通过对纸带上打出的点的分析，相邻两点间的距离不断地增大，说明小车的速度越来越大，即小车做加速运动。通过上述实验使学生获得了能反映