淺析運動的獨立性原理在中學(xué)物理教學(xué)中的價值和地位.doc

淺析“運動的獨立性原理”在中學(xué)物理教學(xué)中的價值和地位山東寧陽一中 高翔運動的獨立性原理又叫運動的迭加性原理，與功的原理、力的獨立性原理合稱中學(xué)物理三大原理，它是“運動的合成、分解”形成的前提，是解決復(fù)雜運動方法形成的關(guān)鍵點。因為任何形式的運動，都可視為幾個簡單運動的合成，依據(jù)各自不同的特點加以解決。中學(xué)物理利用三大思想：牛頓運動定律、功能的思想和動量的思想，解決的是“力和運動”的問題，該問題就要涉及到“運動的合成和分解”，在尊重學(xué)生的認知規(guī)律前提下，從課程論的角度把握在教材中的地位，在知識的運用和深化過程中逐步深化和提高，達到能力培養(yǎng)的目的，運用已掌握的知識和方法解決新問題，尤其在新場景下識模、建模的能力，也反映了學(xué)生思維的深刻性和靈活性。在學(xué)科滲透，相互綜合的今天，這種能力的要求日益重要。運動的疊加性原理，是指一個物體同時參與幾種運動，各分運動都可看成獨立進行的，互不影響，物體的合運動則視為幾個相互獨立分運動疊加的結(jié)果。分運動和合運動之間具有：獨立性、等時性、矢量性、同體性。它的下位概念是振動的疊加原理、波的疊加原理、電場強度的疊加原理。疊加分矢量疊加和標(biāo)量疊加兩種，前者遵循矢量的合成平行四邊形法則，后者遵循代數(shù)運算，因此在闡述矢量時不僅強調(diào)既有大小，又有方向，同時指出嚴(yán)格遵循平行四邊形法則的物理量才為矢量。運動軌跡沿承的遞進順序如下：直線運動曲線運動往復(fù)性運動；力作用的特點：恒力作用大小不變但方向時刻改變簡諧強迫力作用；“曲線運動的條件”和“運動的合成與分解”既是重要的知識點，同時也是能力形成的關(guān)鍵點和發(fā)展的依存點。通過：正交方向上的勻速直線運動的合成渡河問題；勻速直線運動和自由 落體運動的合成平拋運動，來達到知識的深化和能力的提高，為曲線運動的學(xué)習(xí)提供了方法的鋪墊，尤其是平拋運動中運動分解的方法，是能力提高和發(fā)展的關(guān)鍵，具體講，它不但承接著恒力作用下曲線運動的學(xué)習(xí)，同時也承接著變力作用下曲線運動的學(xué)習(xí)，同時也關(guān)系到帶電粒子在靜電場中類平拋的運動學(xué)習(xí)。為鞏固和深化該知識點，闡述如下： 其一、重力場中的平拋運動：（1）、運動軌跡與質(zhì)點運動方程的區(qū)別：利用描跡法得到如圖2所示的是運動軌跡而不是函數(shù)圖像，即：水平方向上的勻速直線運動和豎直方向上的自由落體運動的合運動軌跡。質(zhì)點運動方程：通過消元法可得 函數(shù)圖像如圖1所示（2）、矢量合成式： 飛行時間由下落的高度h來決定（即y方向決定x方向）例1、在研究平拋運動實驗中，用一張帶有方格的坐標(biāo)紙記錄運動的軌跡，小方格邊長 , 若小球在平拋運動途中的幾個位置如圖3所示的 位置，則小球平拋運動的初速度是多少?確定小球的初始平拋位置坐標(biāo)？解析：拋出點未知，水平方向上作勻速直線運動，間隔位移 ，設(shè)時間間隔為T，初速度為 其二、帶電粒子在靜電場中的類平拋運動（不計重力對帶電粒子的影響，一定），依據(jù)實際物理場景分如下兩種情況：A、帶電粒子飛出電場的“邊出邊落”運動：特點是帶電粒子飛出電場，運動時間由極板的長度L來決定，即：偏轉(zhuǎn)位移：臨界條件： 則臨界電壓時，帶電粒子飛出電場，t由L、v0共同決定。B、打在極板上的邊落邊飛運動：特點：在時，帶電粒子打在極板上，運動時間由電場本身來決定，即：y 側(cè)向位移 靜電場中的問題只不過是在新的物理場景下多了一種性質(zhì)力的分析，運用的方法仍是運動的合成與分解。實際問題中，由于受先驗概念力的分解的影響，再加上提供的物理場景相同，雖然理解“根據(jù)力的實際效果分解”，但不能與實際問題相聯(lián)系，故而在運動的分解中出現(xiàn)問題較多。 應(yīng)用一、創(chuàng)設(shè)物理場景，解決繩連物運動的合成與分解：如圖5所示，某人站在距水平面高為的臺子上，用繞過定滑輪的繩子將質(zhì)量為的船從靜止開始,由處拉至處，此過程中繩與水平方向的夾角由變?yōu)?，船受到水的平均阻力恒為，船到達處時人收 繩子的速度為，求：人對船所做的功？（滑輪和船的大小，繩子的質(zhì)量均不計。）解析：船由到處受、的作用，阻力做負功；拉力做正功，力的方向始終沿繩收縮的方向，且為變力（方向時刻發(fā)生改變）屬于變力做功問題，由于不知船做何種運動，故而采用狀態(tài)的變化量量度復(fù)雜的過程量動能定理。船由靜止出發(fā)，求出到達點時的瞬時水平速度則可解決，設(shè)為 則：該問題就轉(zhuǎn)化為“繩連物速度的求解”。受前攝抑制力的分解的影響，往往沿水平方向和豎直兩個方向上分解速度，而沒有真正理解運動的實際效果，運用牽連速度公式，雖然簡潔，但加大了難度。聯(lián)系生活實際，創(chuàng)設(shè)物理場景，可起到簡化之筆。如圖 6 所示，人如何借助于一根長為，一段系于上端，不可伸長的細繩安全地越過寬為的污水池? 方案是：邊蕩繩子邊順著向上爬。過程分析如下：人以為圓心，同時參與了兩個運動，一個是沿徑向向上爬的運動，設(shè)速度為 ，同時以為半徑做非勻速圓周運動，設(shè)速度為 ，存在切向加速度和，合運動則為表現(xiàn)的運動；從力和運動的角度解析是由于重力和繩子的張力合成的結(jié)果，則人恰好過污水池的合運動 問題的關(guān)鍵就是解決在點的瞬時速度；因此，利用創(chuàng)設(shè)物理場景，可起到化繁為簡的作用。由圖6可知：應(yīng)用二：過程等效，依據(jù)分運動解決合運動的問題平拋運動的應(yīng)用如圖7所示，小球之間用長是6米的細線相連，將兩球相隔先后從同一高度處以的初速度水平拋出，則在球拋出多少秒時兩球的連線可拉直？解析：原型啟發(fā)(1)：單獨一個球的平拋運動的處理方向上勻速直線運動； y方向上自由落體運動；（2）：兩個小球在水平方向上以相同的速度作勻速直線運動，水平間距不變：；在 方向上兩球以0.8秒的時間間隔做自由落體運動，則位移間隔 ，隨時間推移變大；繩張緊的臨界條件是兩球間距為應(yīng)用三：運動的分解，等間距螺旋線問題的處理（1）：帶電粒子以一定的夾角斜射入勻強磁場解決的方法：將其速度分解為平行和垂直于勻強磁場兩個方向；平行于勻強磁場方向上做勻速直線運動，垂直方向上做勻速圓周運動。如圖8所示，一個帶電粒子質(zhì)量為 ，帶電量為，以初速度為斜射入長為直徑為的通電螺線管中，與的夾角為，射入和射出時同在一條直線上，求帶電粒子實際通過的路程？解析：帶電粒子速度分解如圖所示，則：沿軸線方向上做勻速直線運動，截面方向上做勻速圓周運動，兩正交方向上時間相等，設(shè)為,由于初射與入射恰在同一條直線上，做等間距的螺旋線運動，設(shè)有個完全相同的圓周，運動周期設(shè)為，則：（2）：帶電粒子在疊加場中的運動不計重力對帶電粒子的影響，勻強磁場和勻強電場相互疊加，依據(jù)兩者方向之間的相互關(guān)系，有下列兩種情況：A如圖9所示，帶電粒子垂直進入和平行的疊加場，可分解為沿電場方向，初速度為0的勻加速直線運動，運動方程為：；垂直于磁場方向上的勻速圓周運動，軌道半徑為 周期；運動的軌跡是等差間距的螺旋線運動， 各螺紋間距 第螺紋間距為 ；相鄰螺紋間距之差和同向與反向兩種情況下,垂直于和進入疊加場的帶電粒子運動規(guī)律相同，只是旋轉(zhuǎn)方向不同。練習(xí)：勻速圓周運動和自由落體運動的合成如圖10所示，豎直圓筒內(nèi)壁光滑，半徑為，頂部有一個入口，在的正下方 處有一個出口，一質(zhì)量為 的小球沿切線方向的水平槽射入圓筒內(nèi)，要使小球從處飛出，小球射入入口的速度 滿足什么條件?在運動過程中球?qū)ν驳膲毫Χ啻?？解析：小球從入口處射入后的運動可分解為水平面內(nèi)的勻速圓周運動，線速度就是入射速度，另一個在豎直方向上作自由落體運動，設(shè)小球在圓筒內(nèi)繞過圈后從處飛出，那么在水平面內(nèi)小球做圓周運動通過的路程為： 豎直方向的位移： 聯(lián)立消去解 小球在運動過程中,水平方向上僅受到,充當(dāng)向心力應(yīng)用四：模型的識別、過程等效的應(yīng)用勻速直線運動和簡諧振動的合成如圖11所示，小球自點以向方向的初速度 逐漸接近固定在點的小球，已知弧，圓弧半徑，在同一水平面內(nèi)，求 的速度多達時才能使 恰好碰到小球? 解析：小球的運動可分解為：沿方向上的勻速直線運動，和圓弧方向上的簡諧振動, 視為單擺模型）假設(shè)發(fā)生次個全振動，則時間：方向上: 關(guān)鍵是模型的識別：實物模型單擺；過程模型：勻速直線運動和簡諧振動，即由的勻速直線運動的時間和完成多個簡諧振動時間之和相等，兩個分運動之間具有等時性。知識的接受和同化，僅僅為能力的形成提供了可能性，即知識的同化過程不等同于能力的形成過程，能力的形成不僅需要知識數(shù)量上的積累，還需要在教師的指導(dǎo)應(yīng)用下進行變式訓(xùn)練，并從中自我產(chǎn)生頓悟，逐步形成、鞏固發(fā)展起來的。所以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進行課題性研究，激發(fā)研究性欲望，培養(yǎng)良好的思維品質(zhì)，形成良好的個性品質(zhì)，即思維的深刻性和靈活性，提供逆向創(chuàng)造性思維的材料和場景，注重問題提出的層次和梯度性，通過思維訓(xùn)練，達到能力的提高和發(fā)展。因此，在知識的傳授中，不僅要展示學(xué)科研究方法，剖析能力的嫁接點、依存點，并且提供足夠信息刺激