高中物理中“板塊模型”教學探討

丁松 鄭宏偉

(江蘇省清江中學，江蘇 淮安 223001)

板塊模型涉及力學中的絕大部分概念、定理和規律，這些知識點關系錯綜復雜，讓學生無法理清解題的思路。教師如何通過深入淺出的講解，讓學生抓住板塊模型的主要特點，不斷提升自己的物理核心素養？俗話說：好的開始是成功的一半。筆者以學習進階理論為指導，精心準備板塊模型第一課，讓學生建立起清晰的板塊模型，熟悉板塊模型問題所涉及的基本知識，讓學生對“板塊”模型不再懼怕，使解題有思路。

1 建構板塊的“基礎模型”

板塊模型分類五花八門，但是這些多種多樣的題目中都涉及幾個最基本的知識點，筆者以例1來說明，如何打好板塊模型的基礎。

例1：如圖1所示，一質量為M=2kg的木板靜止在光滑的水平面上，一個質量為m=3kg的滑塊以某一初速度v0=5m/s從木板左端滑上木板，二者之間的摩擦因數為μ1=0.2,經過一段時間的相互作用，木塊恰好不從木板上滑落，最大靜摩擦力近似等于滑動摩擦力，g取10m/s2。

圖1

(1) 滑塊和滑板將如何運動？其加速度為多少？

(2) 木板長度為多少？

(3) 畫出滑塊和木板的v-t圖。

(4) 如果木板長為2.1m時，滑塊什么時間滑落？

解析：筆者以學習進階理論為指導，精心設置問題，幫助學生建構板塊的“基礎模型”。

(1) 讓學生感性認識板塊模型的運動情況，為進一步分析板塊模型打下基礎

師：滑塊滑上木板后，將會做什么運動呢？

生：滑塊做勻減速運動，木板做勻加速運動，最后滑塊木板一起做勻速直線運動。

師：我們對板塊模型運動有了初步的感性認識，請一位同學能分析一下其中運動的原因。

圖2

(2) 讓學生理解滑塊、木板相對地面的位移及其相對位移

在滑塊、木板達相同速度之前，滑塊做勻減速運動，木板做勻加速運動。當v塊=v板時，即v0-a1t=a2t,可解得：t=1s。

(3) 讓學生了解圖像法在板塊模型中的應用

圖3

畫出滑塊和木板的v-t圖如圖3所示，陰影部分即為相對位移，也是板的最小長度。

(4) 學生初步建立起板塊模型，培養學生的建模能力

在解題中學生要用到假設法，判斷當滑塊、木板速度相同時，滑塊是否已經滑落。由第(2)問可以知道，如果滑塊不滑落，木板最短長度為2.5m，而現在板長只有2.1m，所以達到速度相同前滑塊已經滑落。

2 建構板塊的“加強版模型”

板塊模型種類繁多，主要有：(1) 木板與地面之間還有摩擦力；(2) 滑塊或者木板還受到一個拉力作用。

2.1 木板與地面之間存在摩擦力

變式：若例1中的木板與水平面間的動摩擦因數μ2=0.1，求：

(1) 開始時滑塊和滑板如何運動？其加速度各為多少？

(2) 滑塊和木板速度相同后，它們各自做什么運動？

(3) 畫出滑塊和木板的v-t圖，并求出滑塊和木板的位移。

解析：(1) 進一步強調受力分析在“板塊模型”中的重要性。

師：在此種情況下，滑塊和木板分別做什么運動？

生：在開始一段時間內，滑塊做勻減速直線運動，木板做勻加速直線運動。

師：通過對木板、滑塊進行受力分析，能解釋他們這樣運動的原因嗎?

圖4

(2) 用“假設法”判斷板塊模型中木板和滑塊之間是相對滑動，還是相對靜止。

假設法是物理學中重要的物理方法之一，對板塊模型進行受力分析，“假設法”是最常用且行之有效的方法。

因為假設兩者相對靜止，所以滑塊與木板之間是靜摩擦力，其大小f12=m1a1=3N<6N。即滑塊與木板之間的靜摩擦力小于他們之間的最大靜摩擦力6N(fmax=μ1mg=6N)，所以假設成立。滑塊和木板一起做勻減速直線運動，a1=a2=1m/s2。

圖5

(3) 運用圖像法解決板塊模型問題。

畫出滑塊和木板的v-t圖如圖5所示，陰影部分為木板的最小長度Δx=5m，滑塊相對于地面的位移x1=6.5m，木板相對于地面的位移x2=1.5m。

2.2 滑塊或木板受到拉力作用

例2：如圖6所示，一質量為M=4kg，長為L=2m的木板靜止在光滑的水平面上，一個質量為m=1kg的滑塊靜止在木板的右端，二者之間的動摩擦因數為μ=0.4，現用一外力F=24N作用在木板上，求：

圖6

(1)m、M的加速度a1、a2；

(2) 經過多長時間滑塊離開木板？

圖7

解析：第(1)問意在培養學生的受力分析能力，讓學生回顧“整體法”“隔離法”在板塊模型中的應用，并且進一步強調“假設法”在判斷“整體”“隔離”時的重要性。如果假設m、M是相對靜止，求出的共同加速度為a1=a2=4.8m/s2，那么此時M給m的摩擦力f=m1a1=4.8N>4N，即大于最大靜摩擦力，所以假設不成立。

用隔離法進行受力分析，畫出滑塊和木板的v-t圖如圖7所示，陰影部分“面積”為板長L=2m，斜率大的線條與坐標軸圍成的“面積”為木板相對于地面的位移x2=10m，斜率小的線條與坐標軸圍成的“面積”為滑塊相對于地面的位移x1=8m。