关于“压力作用效果”的思考

来源 :中学物理·初中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:guhong_2
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  研究“压力作用效果与哪些因素有关”,是初中阶段建立压强概念的教学出发点。关于压力作用效果,结合初中物理教学要求,有以下几个问题需要搞清楚。
  1 压力的作用效果与被压物体的材料有没有关系?
  在探究过程中,学生常常有“压力作用效果与被压物体的材料有关”这样的猜想。那压力作用效果与被压物体的材料有没有关系呢?
  这个问题乍看不是个问题,可越想似乎越有问题。
  你说“有关系”,可它最终没有体现在压强定义和压强公式中,既然没有体现,应该是没有关系的。当然,话又说回来,出现在公式中的也不一定有关系,如密度、电阻等,可是否命题:没出现在公式中的一定没有关系,应该是成立的。且如果相同的力压在不同物体的相同面积上,压强到底相不相同呢?如果有关系,则不相同;如果无关系,则相同。倾向的答案是“无关”,作用效果是相同的。那为什么形变程度不一样呢?因为被压物体的材料不同。你说“没有关系”,可压力的作用效果不能脱离被压物体而存在,没有被压物体,就谈不上有压力的作用效果这回事。——这与动能之类的例子不同,在斜面上的小车向下运动撞击物体的实验中,小车的动能并不依赖于被撞物体而存在,被撞物体只是用来显示小车动能大小的。
  有人说“既然研究的是‘压力的’作用效果,那就只与压力自身有关”。真是如此吗?且不说从语法上讲,“压力的”是定语,是用来修饰主语“作用效果”的。就说那“压强”定义为“单位面积上受到的压力”,压强公式为“压强=压力/受力面积”,“受到的”、“受力面积”不都隶属于被压物体吗?再说了,“压力作用效果”是由谁体现的?是“被压物体”,既如此,那“被压物体”自身发生的形变大小怎么会与自身材料无关呢?
  还有人说,认为可以基于因果关系进行分析:压力是“因”,被压物体发生的形变是“果”,果与因有关,但因与果无关。这一解释看似有理,却是将“压力作用效果”偷换成“压力”,事实上两者并不相同。
  不分析不觉得有关系,越分析越觉得有关系,越觉得有关系就越与压强定义有矛盾。问题出在哪里呢?
  基于以上分析,愚以为,问法有问题。为了避免误导,笔者首先想到的是将“压力的作用效果与哪些因素有关”改成“压力产生作用效果的本领与哪些因素有关”,或直接问“压力改变物体形状的本领与哪些因素”(因为研究压力的作用效果实际只研究了压力使物体发生形变——压形变而非切形变,未涉及运动状态的改变)。这样,问题就不再指向“作用效果”而指向“压力”本身,这样因果关系不再矛盾;从语法上讲,“本领”变成主语,谁的本领?“压力产生作用效果的”本领;同时,建议将定义中的“受力面积”改成“施力面积”,这样既不改变定义本质,又将压力大小和施压面积两个影响因素指向压力本身。
  其实,类似于此的问题在后面知识的教学中也有出现。如在“功”的教学中,提出的问题一般是“功的大小与哪些因素有关”,由于功不能脱离被做功物体而存在,所以影响因素是“力的大小”和“物体在力的方向上移动的距离”,这两个影响因素分属“力”和“物体”;而在“动能”的教学,提出的问题一般是“动能的大小与哪些因素有关”,由于初中阶段能被理解为“做功的本领”,所以,此问题的实质是“物体由于运动而具有的本领与哪些因素有关”,所以“物体质量的大小”和“运动速度”这两个影响因素均指向物体本身,与用来显示动能大小的物体(如斜面实验中,放在水平面上的物块)无关。
  回过头来看,研究“力的作用效果”时似乎就存在同样的问题,按上述思路,就应该改成 “力产生作用效果的本领与哪些因素有关”。力的三要素中的“作用点”应理解为“施力点”,而非“受力点”。而画力的示意图是画“受力”示意图,那个作用点应该是“受力点”。
  2 压强是不是表示压力作用效果的物理量?
  但,这样的改变虽然可在中学教学中形成合符学生的认知结构,但却为将来的物理学习埋下冲突,即将压强的定义由受力物体转移到施力物体上,这与物理中的“应力”以受力物体为对象下定义直接抵触——即知识结构上不合理了。故,如果从科学定义的一贯性角度思考,这样的修改易引起前后知识的分裂。而且,从应力定义上来看,其与材料自身肯定是没有关系的。
  初中阶段压强的概念应当以什么样的问题背景建立呢?笔者想到第二种协调办法,即将问题改成:同一物体受到压力之后发生形变的大小与哪些因素有关?通过“同一物体”的限定,就可以回避“与材料有没有关系”的猜想,但这样的修改只是权宜之计,本质上并未回避学生的问题,在“同一物体”范围内建立的压强概念缺乏说服力,如上面提到的问题:同样大小的力作用在不同物体的同样大小的面积上,压强到底相不相同呢?也就是说,回避不了这一追问。如果非要说有好处的话,那就是可以回避学生的追问,把学生这一关过了。如果非要沿用原来的问法,或利用第二种修改方法的问法的话,那我们只能这样理解:这一问题只作为入门阶段的一种引入方法,实际上并不具有严格的合理性,也没有特别的物理意义。既然仅作为导入所需的一种情境,那么,有一点就必须突出强调:以后没有必要也不应该说“压强是表示压力作用效果的物理量”——这一说法有着科学性上的不协调。明确了这一点之后,从物理知识的严谨性角度考虑,可采用此种修改方法。
  3 “压力的作用效果”与“力的作用效果”是什么关系?
  此前学生已经知道,力的作用效果有二:使物体发生形变;使物体的运动状态发生改变。压力既是力的一种,那从逻辑上讲,力的作用效果就应该是压力的作用效果。为什么还要重新研究呢?
  事实上,这里研究压力的作用效果与前面研究力的作用效果还是有所不同的。——更为关键的是同,这种不同要向学生说明。
  研究力的作用效果时,研究得比较细,如一个物体发生形变时,向下凹进和向上凸起就是作用效果不同,物体向左运動和向右运动也是效果不同。正是研究这样的不同,得出了力的作用效果与力的方向有关。
  而研究压力作用效果时,线条比较粗,一般只取形变来研究(不取运动状态的改变),且只研究形变程度的大小与压力的关系。   如果不理清上述不同,知识的逻辑关系就搞不清楚,学生就会陷入知识的混乱,从而给认知带来困惑和矛盾。(这也是初中物理教学值得重视的地方,初中物理知识体系相对松散,故日常教学中常常忽略知识上的承接关系。)
  那么,教师该如何向学生交待研究背景呢?依笔者浅见,教师应向学生说明:
  1。压力是力的一种,所以它的作用效果与力的作用效果肯定是一致的;
  2。又由于压力是一种特殊的力(方向总是垂直于接触面,能使物体沿力的方向发生形变),所以它的作用效果又值得我们特别研究;
  3。本着由易到难、以简驭繁的精神,我们只以“压力使静止物体发生形变”作为我们研究的重点。
  以上所述仅为理论上的阐述,旨在从思路上帮学生理清关系,必要的联系生活实际的情境材料应当照常提供,与理论结合使用。
  4 “影响压力产生作用效果本领的因素”与“影响力产生作用效果本领的因素”的关系如何协调?
  既然压力是力的一种,那影响压力产生作用效果本领的就应该是力的“三要素”:大小、方向、作用点(施力点),为什么又多了个“施力面积”呢?(原来的说法在此也存在一个矛盾:研究力的作用效果与大小、方向、作用点有关,并把这三者称之为力的三要素;那研究压力的作用效果与压力大小和受力面积的关系有关,那按照同样的逻辑,“压力的大小”和“受力面积”应该是压力的“二要素”了?可从来不曾有过这种说法。)
  问题出在前面知识的学习。在研究力产生作用效果本领时,用了抽象、理想的方法,由于不断地强调力的作用效果是与力的作用点有關,学生已经形成了力是作用在一个“点”上的认知,在其后表示力时,学生头脑中的力更是抽象成的“有向线段”。
  而研究压力的作用效果是形象的、实际的,压力不再是一条“线”,而是一个“体”;作用位置不是一个“点”,而是一个“面”。教师可以引导学生通过物理图景建立这样一个表象(想像表象):一个像柱体一样的力压在一个平面上,使平面发生了形变,这个力产生形变的本领与自身的大小与施力面积有关。
  当学生弄清这一关系之后,理解影响压力产生作用效果本领的因素与影响力产生作用效果本领的因素就没有冲突了。
  最后,有一个有意思的问题:为什么在学生提出这个问题之前,教师不觉这是个问题,或者压根儿就想不到这个问题呢?这其实正反映了教师的教与学生的学分处两种不同的“范式”。教师拥有的物理知识一方面是科学的,另一方面又囿于这一范式当中;而学生的知识却是生活的,因为生活经验不一定科学,所以学生的想象空间某种程度上讲大于教师的知识空间。从这个角度讲,教师几无可能想到的问题对学生而言十分正常。
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