基于學生活動的位移概念教學實踐研究①

(江蘇省南京市第九中學，江蘇 南京 210018)

1 對人教版教材編寫思路的認識

關于位移的概念，人教版高中物理教材寫道：“一個人從北京去重慶，可以選擇不同的交通方式。既可以乘火車，也可以乘飛機，還可以先乘火車到武漢，然后乘輪船沿江而上。顯然，在這幾種情況下，他所通過的路線，也就是他運動的軌跡是不一樣的。我們在初中已經知道，路程是物體運動軌跡的長度，可見他所經過的路程也不相同。但是，就位置的變動來說，無論使用什么交通工具、走過了怎樣不同的路程，他總是從北京到達了西南方向直線距離約1300km的重慶，即位置的變動是相同的。”

“當物體從某一點A運動到另一點B時，盡管可以沿不同的軌跡、走過不同的路程，但位置的變動是相同的。在物理學中用一個叫做位移的物理量來表示物體的位置變化。”

通讀上面兩段文字，讀者能很自然地概括得出這樣一個結論：當物體從某一點A運動到另一點B時，位置的變動是相同的，但路程有可能是不一樣的，所以路程這個物理量不能用來表示物體的位置變化，進而引入位移這個物理量來表示物體的位置變化。這樣的內容編寫，既沒有講清楚為什么位移能表示物體的位置變化，也不能讓學生深刻體會位移與路程兩者之間的差異。

2 基于學生活動的位移概念教學設計

在位移概念教學時，要解決以下3個問題：(1) 為什么可以用位移來表示物體的位置變化？(2) 位移(矢量)與路程(標量)有怎樣的不同？(3) 怎么計算直線運動的位移？

筆者在教學中針對這3個問題，分別設計了相應的學生活動，讓學生在問題解決的過程中加深對位移概念的認識。

活動1：描述物體的位置變化

師：從南京新街口出發，開車到連云港花果山大約有333公里。在導航地圖上可以清晰看到汽車位置的變化(如圖1)。請同學們思考：如何描述汽車的位置變化？

圖1

生1：汽車最初在南京新街口，而后運動到了333公里的遠處。

生2：我覺得他的回答不夠嚴謹，“運動到了333公里的遠處”并不一定是到了連云港花果山，還可能是其他地方。應該這樣表述：汽車最初在南京新街口，而后沿著寧洛高速、長深高速運動到了333公里的遠處。

生3：如果知道方向的話，可以這樣表述：汽車最初在南京新街口，而后位于北偏東一定角度、距離新街口333公里處。

生4：同學3的回答有誤，汽車的末位置在北偏東一定角度，但它距離新街口的距離并不是333公里。

在實際教學過程中通過設問引導學生討論、爭辯，可以讓學生明白只要知曉始末位置間的直線距離及方向就可以確定運動物體的位置。如果有物理量能同時反映始末位置間的直線距離和方向，那么它便可以用來表示運動物體的位置變化。在物理學中這個物理量就是位移，它可以用從初位置到末位置作一條有向線段來進行表示。有向線段的箭頭表示位置變化的方向，有向線段的長短表示始末位置間的直線距離。

圖2

活動2：從相加法則的不同感知位移與路程的差異

師：同學甲從操場中心A位置出發，向北走了40m到達位置B，接著又向東走了30m到達位置C。請同學們用有向線段表示他第一次的位移、第二次的位移和兩次行走的合位移。并計算該同學的合位移與總路程的大小各是多少。

分析：總路程大小為70米，用勾股定理算得合位移大小為50米。總路程的大小等于兩次運動的路程大小的代數和，而合位移的大小卻不等于兩次運動的位移大小的代數和。在物理學中，我們將位移這樣的物理量叫做矢量，它既有大小又有方向，遵從矢量相加的法則；將路程這樣的物理量叫做標量，遵從算術相加的法則。

師：同學們能不能說一說，還有哪些物理量是標量，哪些物理量是矢量？

分析：時間、質量等物理量是標量，位移是學生進入高中學習的第一個矢量，因此很多學生答不出還有哪些物理量是矢量。此問題的意義在于，從矢量、標量的角度讓學生重新認識已學習過的物理量。

活動3：做直線運動的物體位移的計算及矢量相加法則的探究

教師呈現問題：一物體從坐標軸的原點運動到坐標為4m的地方用了3s的時間，后又經過3s運動到-2m處，則：

(1) 物體在前3s的位移大小與方向；

(2) 物體在后3s的位移大小與方向；

(3) 物體在6s內的路程；

(4) 物體在6s內的位移大小與方向。

圖3

分析：

(1) Δx=4m，前3s的位移大小為4m，方向指向x軸正方向；

(2) Δx=-6m，后3s的位移大小為6m，方向指向x軸負方向；

(3) 6s內的路程為10m；

(4) Δx=-2m，6s內的位移大小為2m，方向指向x軸負方向。

引導學生探尋同一直線方向上的矢量運算的法則。位移是矢量，是有方向的，從位移的定義來講，6s內的位移大小一定為2m，它其實也是前3s與后3s兩個位移的矢量相加，為4m+(-6m)=-2m，其中后3s的位移為-6m，其中的“-”號表示位移的方向，同樣6s內的位移為-2m，其中的“-”號是合位移的方向。歸納總結可以得到同一直線方向上的矢量運算的方法：確定好正方向，與正方向相同的矢量用正值表示，與正方向相反的矢量用負值表示，接著數值相加，相加結果的正、負代表合矢量的方向，正、負號后的數字即為合矢量的大小。

3 結語

3個活動主旨鮮明、層次清晰，活動1通過引導學生自主解決問題，力求能在思考交流的過程中生成位移的概念；活動2通過創設問題情境，引導學生討論、思辨，以降低概念學習的難度，幫助學生深刻地理解位移的矢量屬性；活動3通過實例計算，在活動1、2的基礎上，幫助學生更加全面深刻地理解位移概念，掌握做直線運動物體的位移的計算方法。