论文部分内容阅读
摘 要：本文通过探讨人教版弹力定义、赏析近两年新课标试卷中的弹力试题，谈谈如何培养学生的物理核心素养。
关键词：弹力；全国卷；核心素养
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0048-3
弹力，随时可感，无处不在。在接触中，人们能够感受到存在弹力；在生活中，人们能够观察到应用弹力。弹力，是中学物理最重要的力之一。初中学习弹力，中考一定考弹力相关的试题；高中继续学习弹力，高考还是一定考弹力相关的试题。虽然弹力十分重要，但课本对弹力的定义，却存在逻辑混乱的问题。
1 探讨弹力定义
1.1 课本定义
人教版物理必修1对弹力的定义： “发生形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫做弹力。”
1.2 提出问题
从必修1对弹力的定义可以得出：物体首先发生“形变”，而后来要“恢复原状”，因此对与它接触的另一个物体产生了“弹力”。这说明弹性形变和弹力具有先后关系，即先有弹性形变，后才有弹力。由这个理解，提出一个新问题：既然先产生弹性形变，后才产生弹力，那么在两个接触的物体之间，又是什么力使接触的两个物体发生弹性形变呢？难道在接触的两个物体之间还存在其他的力，这个其他的力使接触的两个物体先产生弹性形变，而后再产生弹力？笔者曾经把这个问题发到2 000人的“中学物理教育论坛QQ群（群号497614097）”，讨论了一个晚上也没有取得共识。
1.3 正本清源
要回答这个新问題，首页要搞清以下三个关系。
（1）力与形变的关系
人教版物理必修1中说：“什么原因使物体产生形变呢？这就是其他物体与这个物体之间力作用的结果。”从表述很容易产生错误的结论：力和形变是因果关系，力是原因，形变是结果。然而，有力不一定产生形变，还可以产生运动状态的改变。所以力和形变不是因果关系，而是必要条件关系；即有力不一定产生形变，但产生形变一定有力。
（2）弹性形变与“恢复原状趋势”的关系
人教版物理必修1中说：“物体在力的作用下形状或体积会发生改变，这种变化叫做形变”，“有些物体在形变后撤去作用力时能够恢复原状，这种形变叫做弹性形变”。若力的作用没有撤去，发生弹性形变的物体具有“恢复原状趋势”，只是因为有力的作用，阻碍了物体恢复原状，让物体保持形变状态。因此，弹性形变和“恢复原状趋势”具有同时关系，即同时产生、同时消失、同时变化。
（3）弹力与弹性形变的关系
人教版物理必修1中说：“我们通常所说的拉力、压力、支持力等都是接触力。接触力按其性质可以归纳为弹力和摩擦力，它们在本质上都是由电磁力引起的”。由此可知，弹力是电磁力的表现形式，电磁力与分子间距离“密不可分”，而分子间距离变化的宏观反映对应弹性形变，因此弹力和弹性形变互为因果关系，即因为弹力而产生弹性形变，因为弹性形变而产生弹力。
1.4 修正建议
弄清了力与形变、弹性形变与“恢复原状趋势”、弹力与弹性形变的关系，可以把课本中弹力的定义修正如下：一个物体在发生弹性形变的同时，会对跟它接触的另一个物体产生力的作用，这个力叫做弹力。
1.5 实例分析
书对桌面的压力：如图1，由于书的重力，书和桌面发生挤压，使书产生弹性形变，即书的弹性形变为向上凹；书要恢复原状，但桌面阻碍了书恢复原状，因此书对桌面产生了弹力，这个弹力就是书对桌面的压力。同理可知：由于书的重力，书和桌面发生挤压，使桌面产生弹性形变，即桌面的弹性形变为向下凹；桌面要恢复原状，但书阻碍了桌面恢复原状，因此桌面对书产生了弹力，这个弹力就是桌面对书的支持力。根据弹力产生的机理，即书的弹性形变是由桌面对书的支持力而产生，桌面的弹性形变是由书对桌的压力而产生。
2 赏析弹力试题
每年高考，都会考与弹力相关的试题，本文选取2016年和2017年全国1卷和全国2卷的选择题进行赏析，感悟弹力在高考试卷的应用。近两年4个选择题，其中3个选择题考查多段绳的弹力，1个选择题考查杆的弹力，弹簧的弹力没有考。常用二力平衡规律和三力动态平衡规律解决问题。
1.（2016年全国1卷19题）如图2，一光滑的轻滑轮用细绳OO’悬挂于O点；另一细绳跨过滑轮，其一端悬挂物块a，另一端系一位于水平粗糙桌面上的物块b。外力F向右上方拉b，整个系统处于静止状态。若F方向不变，大小在一定范围内变化，物块b仍始终保持静止，则（ ）
A.绳OO’的张力也在一定范围内变化
B.物块b所受到的支持力也在一定范围内变化
C.连接a和b的绳的张力也在一定范围内变化
D.物块b与桌面间的摩擦力也在一定范围内变化
赏析 因为物块a与绳子相连，由于物块a的重力作用，使绳子被拉长，从而在绳子两端产生了拉物块a的弹力和拉物块b的弹力。由于物块b的重力，物块b和桌面之间产生了弹性形变，因此物块b和桌面之间也产生了弹力。由于细绳跨过滑轮，细绳对细绳OO’有拉力，因此使细绳OO’产生弹性形变，从而在细绳OO’两端产生弹力。因为F方向不变，整个系统处于静止状态，则可得各绳角度保持不变。对物块a受力分析：a受绳的拉力Ta和重力mag，因为物块a处于静止状态，所以有：Ta=mag，即物块a受到绳的拉力保持不变。由于是轻滑轮，且是光滑的，所以物块b受到绳的拉力大小与物块a受到绳的拉力大小相等，即Tb=mag，故A、C选项错误。对物块b进行受力分析，并将各力沿水平方向和竖直方向分解，如图3所示。由受力平衡得：Tx f=Fx，Fy N Ty=mbg。T和mbg不变，当F大小在一定范围内变化时，支持力N和摩擦力f就在一定范围内变化，故B、D选项正确。 2.（2016全国2卷第14题）质量为m的物体用轻绳AB悬挂于天花板上。用水平向左的力F缓慢拉动绳的中点O，如图4所示。用T表示绳OA段拉力的大小，在O点向左移动的过程中（ ）
A.F逐渐变大，T逐渐变大
B.F逐渐变大，T逐渐变小
C.F逐渐变小，T逐渐变大
D.F逐渐变小，T逐渐变小
赏析：由于物体的重力，使轻绳AB发生弹性形变，从而在轻绳AB两端产生弹力。对物体进行受力分析：重力mg和OB绳的拉力Tm。由受力平衡可得：Tm=mg。对O点进行受力分析：OB的拉力Tm，水平向左的力F，OA绳的拉力T。作出F与T的变化的动态图，由动态图5可以看出：在O点向左移动的过程中，F逐渐变大，T逐渐变大，故选A选项。
3.（2017全国1卷第21題）如图6，柔软轻绳ON的一端O固定，其中间某点M拴一重物，用手拉住绳的另一端N，初始时，OM竖直且MN被拉直，OM与MN之间的夹角为α（α>）。现将重物向右上方缓慢拉起，并保持夹角α不变。在OM由竖直被拉到水平的过程中（ ）
A.MN上的张力逐渐增大
B.MN上的张力先增大后减小
C.OM上的张力逐渐增大
D.OM上的张力先增大后减小
赏析：由于重物的重力和用手拉住绳的另一端N，从而让绳OM和绳MN发生弹性形变，在M点产生沿MO方向和MN方向的弹力。以重物为研究对象，受重力mg，OM绳上拉力F1，MN上拉力F2，由题意知，三个力合力始终为零，矢量三角形如图7所示。在F2转至水平过程中，MN上的张力F2逐渐增大，OM上的张力F1先增大后减小，所以A、D选项正确，B、C选项错误。
4.（2017全国2卷第14题）如图8，一光滑大圆环固定在桌面上，环面位于竖直平面内，在大圆环上套着一个小环，小环由大圆环的最高点从静止开始下滑，在小环下滑的过程中，大圆环对它的作用力（ ）
A.一直不做功
B.一直做正功
C.始终指向大圆环圆心
D.始终背离大圆环圆心
赏析：由于小环的重力，小环和大圆环都发生弹性形变而产生弹力。大圆环光滑，对小环只有弹力，弹力始终沿径向，与速度垂直，不做功，故A选项对，B选项错；小环位于大圆环上方时，大圆环对小环的作用力为支持力，方向沿半径向外，小环位于大圆环下方时，大圆环对小环的作用力为支持力，方向沿半径向里，故C、D选项错误。
物理核心素养包括物理观念、科学思维、实验探究以及科学态度与责任。其中，科学思维要求学生对结论提出质疑、批判、检验和修正。本文通过对弹力定义的质疑和修正，有利于启迪学生的质疑精神，有利于促进学生的核心素养。借用朱熹的话作为本文的结尾：“读书无疑者须教有疑，有意者却要无疑，到这里方是长进”。
参考文献：
[1]人民教育出版社.物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2010.
（栏目编辑 陈 洁）
关键词：弹力；全国卷；核心素养
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0048-3
弹力，随时可感，无处不在。在接触中，人们能够感受到存在弹力；在生活中，人们能够观察到应用弹力。弹力，是中学物理最重要的力之一。初中学习弹力，中考一定考弹力相关的试题；高中继续学习弹力，高考还是一定考弹力相关的试题。虽然弹力十分重要，但课本对弹力的定义，却存在逻辑混乱的问题。
1 探讨弹力定义
1.1 课本定义
人教版物理必修1对弹力的定义： “发生形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫做弹力。”
1.2 提出问题
从必修1对弹力的定义可以得出：物体首先发生“形变”，而后来要“恢复原状”，因此对与它接触的另一个物体产生了“弹力”。这说明弹性形变和弹力具有先后关系，即先有弹性形变，后才有弹力。由这个理解，提出一个新问题：既然先产生弹性形变，后才产生弹力，那么在两个接触的物体之间，又是什么力使接触的两个物体发生弹性形变呢？难道在接触的两个物体之间还存在其他的力，这个其他的力使接触的两个物体先产生弹性形变，而后再产生弹力？笔者曾经把这个问题发到2 000人的“中学物理教育论坛QQ群（群号497614097）”，讨论了一个晚上也没有取得共识。
1.3 正本清源
要回答这个新问題，首页要搞清以下三个关系。
（1）力与形变的关系
人教版物理必修1中说：“什么原因使物体产生形变呢？这就是其他物体与这个物体之间力作用的结果。”从表述很容易产生错误的结论：力和形变是因果关系，力是原因，形变是结果。然而，有力不一定产生形变，还可以产生运动状态的改变。所以力和形变不是因果关系，而是必要条件关系；即有力不一定产生形变，但产生形变一定有力。
（2）弹性形变与“恢复原状趋势”的关系
人教版物理必修1中说：“物体在力的作用下形状或体积会发生改变，这种变化叫做形变”，“有些物体在形变后撤去作用力时能够恢复原状，这种形变叫做弹性形变”。若力的作用没有撤去，发生弹性形变的物体具有“恢复原状趋势”，只是因为有力的作用，阻碍了物体恢复原状，让物体保持形变状态。因此，弹性形变和“恢复原状趋势”具有同时关系，即同时产生、同时消失、同时变化。
（3）弹力与弹性形变的关系
人教版物理必修1中说：“我们通常所说的拉力、压力、支持力等都是接触力。接触力按其性质可以归纳为弹力和摩擦力，它们在本质上都是由电磁力引起的”。由此可知，弹力是电磁力的表现形式，电磁力与分子间距离“密不可分”，而分子间距离变化的宏观反映对应弹性形变，因此弹力和弹性形变互为因果关系，即因为弹力而产生弹性形变，因为弹性形变而产生弹力。
1.4 修正建议
弄清了力与形变、弹性形变与“恢复原状趋势”、弹力与弹性形变的关系，可以把课本中弹力的定义修正如下：一个物体在发生弹性形变的同时，会对跟它接触的另一个物体产生力的作用，这个力叫做弹力。
1.5 实例分析
书对桌面的压力：如图1，由于书的重力，书和桌面发生挤压，使书产生弹性形变，即书的弹性形变为向上凹；书要恢复原状，但桌面阻碍了书恢复原状，因此书对桌面产生了弹力，这个弹力就是书对桌面的压力。同理可知：由于书的重力，书和桌面发生挤压，使桌面产生弹性形变，即桌面的弹性形变为向下凹；桌面要恢复原状，但书阻碍了桌面恢复原状，因此桌面对书产生了弹力，这个弹力就是桌面对书的支持力。根据弹力产生的机理，即书的弹性形变是由桌面对书的支持力而产生，桌面的弹性形变是由书对桌的压力而产生。
2 赏析弹力试题
每年高考，都会考与弹力相关的试题，本文选取2016年和2017年全国1卷和全国2卷的选择题进行赏析，感悟弹力在高考试卷的应用。近两年4个选择题，其中3个选择题考查多段绳的弹力，1个选择题考查杆的弹力，弹簧的弹力没有考。常用二力平衡规律和三力动态平衡规律解决问题。
1.（2016年全国1卷19题）如图2，一光滑的轻滑轮用细绳OO’悬挂于O点；另一细绳跨过滑轮，其一端悬挂物块a，另一端系一位于水平粗糙桌面上的物块b。外力F向右上方拉b，整个系统处于静止状态。若F方向不变，大小在一定范围内变化，物块b仍始终保持静止，则（ ）
A.绳OO’的张力也在一定范围内变化
B.物块b所受到的支持力也在一定范围内变化
C.连接a和b的绳的张力也在一定范围内变化
D.物块b与桌面间的摩擦力也在一定范围内变化
赏析 因为物块a与绳子相连，由于物块a的重力作用，使绳子被拉长，从而在绳子两端产生了拉物块a的弹力和拉物块b的弹力。由于物块b的重力，物块b和桌面之间产生了弹性形变，因此物块b和桌面之间也产生了弹力。由于细绳跨过滑轮，细绳对细绳OO’有拉力，因此使细绳OO’产生弹性形变，从而在细绳OO’两端产生弹力。因为F方向不变，整个系统处于静止状态，则可得各绳角度保持不变。对物块a受力分析：a受绳的拉力Ta和重力mag，因为物块a处于静止状态，所以有：Ta=mag，即物块a受到绳的拉力保持不变。由于是轻滑轮，且是光滑的，所以物块b受到绳的拉力大小与物块a受到绳的拉力大小相等，即Tb=mag，故A、C选项错误。对物块b进行受力分析，并将各力沿水平方向和竖直方向分解，如图3所示。由受力平衡得：Tx f=Fx，Fy N Ty=mbg。T和mbg不变，当F大小在一定范围内变化时，支持力N和摩擦力f就在一定范围内变化，故B、D选项正确。 2.（2016全国2卷第14题）质量为m的物体用轻绳AB悬挂于天花板上。用水平向左的力F缓慢拉动绳的中点O，如图4所示。用T表示绳OA段拉力的大小，在O点向左移动的过程中（ ）
A.F逐渐变大，T逐渐变大
B.F逐渐变大，T逐渐变小
C.F逐渐变小，T逐渐变大
D.F逐渐变小，T逐渐变小
赏析：由于物体的重力，使轻绳AB发生弹性形变，从而在轻绳AB两端产生弹力。对物体进行受力分析：重力mg和OB绳的拉力Tm。由受力平衡可得：Tm=mg。对O点进行受力分析：OB的拉力Tm，水平向左的力F，OA绳的拉力T。作出F与T的变化的动态图，由动态图5可以看出：在O点向左移动的过程中，F逐渐变大，T逐渐变大，故选A选项。
3.（2017全国1卷第21題）如图6，柔软轻绳ON的一端O固定，其中间某点M拴一重物，用手拉住绳的另一端N，初始时，OM竖直且MN被拉直，OM与MN之间的夹角为α（α>）。现将重物向右上方缓慢拉起，并保持夹角α不变。在OM由竖直被拉到水平的过程中（ ）
A.MN上的张力逐渐增大
B.MN上的张力先增大后减小
C.OM上的张力逐渐增大
D.OM上的张力先增大后减小
赏析：由于重物的重力和用手拉住绳的另一端N，从而让绳OM和绳MN发生弹性形变，在M点产生沿MO方向和MN方向的弹力。以重物为研究对象，受重力mg，OM绳上拉力F1，MN上拉力F2，由题意知，三个力合力始终为零，矢量三角形如图7所示。在F2转至水平过程中，MN上的张力F2逐渐增大，OM上的张力F1先增大后减小，所以A、D选项正确，B、C选项错误。
4.（2017全国2卷第14题）如图8，一光滑大圆环固定在桌面上，环面位于竖直平面内，在大圆环上套着一个小环，小环由大圆环的最高点从静止开始下滑，在小环下滑的过程中，大圆环对它的作用力（ ）
A.一直不做功
B.一直做正功
C.始终指向大圆环圆心
D.始终背离大圆环圆心
赏析：由于小环的重力，小环和大圆环都发生弹性形变而产生弹力。大圆环光滑，对小环只有弹力，弹力始终沿径向，与速度垂直，不做功，故A选项对，B选项错；小环位于大圆环上方时，大圆环对小环的作用力为支持力，方向沿半径向外，小环位于大圆环下方时，大圆环对小环的作用力为支持力，方向沿半径向里，故C、D选项错误。
物理核心素养包括物理观念、科学思维、实验探究以及科学态度与责任。其中，科学思维要求学生对结论提出质疑、批判、检验和修正。本文通过对弹力定义的质疑和修正，有利于启迪学生的质疑精神，有利于促进学生的核心素养。借用朱熹的话作为本文的结尾：“读书无疑者须教有疑，有意者却要无疑，到这里方是长进”。
参考文献：
[1]人民教育出版社.物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2010.
（栏目编辑 陈 洁）