完全失重習題講評中物理學科素養的培養

沈洪生

摘 ? 要：習題教學也是物理課程教學的一個重要環節，在習題課堂中可以培養學生的學科素養。本文探討完全失重習題講解中對科學素養的培養。

關鍵詞：核心素養;物理習題;完全失重;分析思維;實驗探究

超、失重是牛頓運動定律解決動力學問題的一個重要課例，也是牛頓第二定律應用類型問題的典范。完全失重又是超、失重問題中的一個特例，在生活中常見，應用廣泛，所以備受命題者青睞。而這一類問題，對教師來講，一直就是將其當作一種簡單容易題來對待。在講評試題時也經常就以“因為失重”或“在完全失重狀態下”這樣一句帶過，以為這樣就能給學生解析清楚了，其實不然。對初學者來講，教師若是一味地只給他們強制性灌輸固化的結論和要求去死記一些客觀現象以達到解題目的的話，這樣會約束學生的科學思維發展和物理學科素養的養成。會導致學生出現學不“活”，記不“牢”，用不“準”等狀況。當問題的情景一旦較有迷惑性、設問角度做些變化時，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

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

A.F越來越小

B.F越來越大

C.F仍然等于重力G

D.F馬上變為零

剪斷繩子，A、B一起做自由落體運動，完全失重，正確答案選D。

試題講評時如果沒有深入地跟學生分析上面物體為什么“失重”的動力學本質原因，而是直接就以“這就是一個完全失重的現象，象坐升降電梯時人與轎廂一起自由下落時人對地板沒有壓力一樣”，這樣給學生解析，學生固然會懂了。但是一旦遇到下面問題，又會犯錯。

【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（不計空氣阻力）。下列說法正確的是（ ? ? ?）

A.在上升和下降過程中A對B的壓力一定為零

B.上升過程中A對B的壓力大于A物體受到的重力

C.下降過程中A對B的壓力大于A物體受到的重力

D.在上升和下降過程中A對B的壓力等于A物體受到的重力[ 1 ]

這個題目，表面上是對完全失重問題的考查，一般教師都會認為不難，以為學生也容易理解，會掌握。其實直至高三第一輪復習的訓練中，還是出現有不少學生錯選B，甚至也有錯選了D的。通過不斷與學生的交流了解，發現這是因為有的學生認為在上升過程中A擋著B，B推著A所以A、B間還是有相互作用的，這個作用力大于A的重力;也有的學生認為運動過程中A、B仍是緊貼在一起的，象在地面上一樣的狀況，所以A對B還是有壓力，B對A還是有支持力的，這個作用力大小仍等于A的重力。犯這些錯誤的學生都是對“失重”“完全失重”等物理觀念沒有真正掌握和領悟。因而犯“經驗主義”，被“直觀現象混淆”而錯。

要糾正學生的錯誤認識，提高學生的解題能力，養成良好科學思維和學科素養。教師應該在例題1練習完成后，要讓學生緊接著訓練例題2，再針對這個題目深入地剖析其中的動力學本質原因，訓練對超、失重問題如何應用牛頓運動定律正確進行解答、解釋。

2 ?從科學思維入手分析推理講評，并以科學探究驗證手段進行論證

第一步，可以假設法、整體法、隔離法入手，結合牛頓運動定律分析進行理論證明。

假設A對B有一個壓力N，依牛頓第三定律，B對A反作用力N'，如圖3所示。

顯然，aA

如果假設二者之間無相互作用的彈力，則對A有aA=g，對B有aB=g，它們構成一個整體，加速度也是a=g，因而能夠在空中保持一致同步運動。

所以二者實際上是處于有接觸但不擠壓，無彈力的狀態。所以只能選A。

第二步，再輔以實驗探究，進一步驗證。

課前器材準備：扎有一些小孔的大容積可樂瓶，水，細線。

實驗（一）：將周邊扎有小孔的大容積可樂瓶裝滿水后，用細線懸掛起來，讓學生觀察。會發現水流從小孔噴射出水柱。再將細線突然剪斷，學生會發現瓶子自由下落，水柱消失（對比實驗過程剪圖如圖4所示）。啟發引導學生思考回答，是因為水完全失重，對瓶底瓶壁無壓力，所以水不會再噴出來。

結論：做自由落體運動的物體處于完全失重狀態，對相互接觸的物體無壓力作用。

實驗（二）：將上面實驗中裝滿水的可樂瓶斜向上拋出，讓學生觀察其上升下降整個過程中的現象。會發現原來水瓶靜置時從小孔噴射出來的水柱同樣也消失了（對比實驗過程剪圖如圖5所示）。也是因為水完全失重，對瓶底瓶壁無壓力，所以水不再噴出來。

結論：做拋體運動的物體處于完全失重狀態，對相互接觸的物體無壓力作用。

第三步，思維拓展，現象整合。

浮力現象也是生活中學生比較熟悉的，跟重力緊密相關。浮力的產生是因為液（氣）體受到重力作用產生液（氣）體壓強的效果體現。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部的液體里，還會有浮力現象嗎？結合這個設問給學生再思考下面例題。

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

A.向上浮

B.向下沉

C.上、下竄動

D.仍在水面下原深度處不浮不沉

這時提問學生作答，因為有了前面的知識鋪墊，絕大多數學生會正確選出D選項了。并會解釋是因為水和容器一起自由下落時，a=g。在完全失重狀態下，液體壓強消失，浮力也隨之消失，所以比水輕的木塊在水中也不會“上浮”了。這個題目的真實實驗情境要用高速攝影裝置和特殊實驗器材才能完成，課堂教學中比較難以同步實現。可借助前期錄制好的視頻來播放給學生觀察。

最后總結以下結論：當物體在豎直方向具有a=g的加速度時，無論是自由下落，還是上拋、平拋、斜拋等拋體運動狀態，都是處于完全失重狀態，日常中物體體現出來的一些重力現象如“壓、拉、沉、浮”等等都會消失不見。而普通的失重則是因為物體具有一個小于g值的向下加速度a（a<g）時，物體對支持物的壓力（或對懸繩的拉力）小于物體實際重力的現象;超重則是因為物體具有向上加速度a時，物體對支持物的壓力（或對懸繩的拉力）大于物體實際重力的現象。

3 ?結束語

這樣的習題講解，從牛頓運動定律入手，通過受力分析、加速度推導求解并進行比較，最后又加以實際實驗探究求證，再將關聯知識串起來講。在老師的引導下，一系列操作下來，學生能更準確掌握超重、失重、完全失重等科學的物理觀念，形成了以嚴謹的邏輯分析思維，科學的理論依據和真實的實驗探究結果來正確認識一些與常識表象不符的物理現象，并做出解析。從而實現了基于物理學科核心素養培養目標達成的習題教學。

參考文獻：

[1] 張泉.牛頓運動定律的綜合應用.高中全程復習方略： 高中物理版[M].杭州：浙江科學出版社，2021：46-47.