挖掘“命题陷阱” 谨防数学“负迁移”

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  1 问题的提出
  数学是物理的工具,有人说,数学学得好物理应该就学得好,其实不然,一项相关基础调查
  显示,许多数学成绩优异的同学,数学好而物理差占整个物理学习成绩不好同学的近三分之
  一。这问题究竟出在哪里?有教师认为,数学学得好不代
  表物理能学好,因为两门学科的特点不同,这样的说法也是有道理的,事实上我们发现随着
  高中数学知识的学习,物理解题的方法多了,但也形成了新的困惑,数学对不少同学的物理
  学习干扰作用加强,逐渐造成负迁移的态势,这也形成物理“学得差”表现为数学“学得好
  ”的典型怪现象。
  2 典型“物理命题陷阱”的数学剖析
  高中数学中我们学到很多新的知识和内容,如集合与函数、三角函数、不等式、复数、
  排列、组合、二项式定理、立体几何、平面解析几何、统计、概率、平面向量、数列、导数
  等,其中许多数学知识在高中物理中都有广泛的应用,而且物理命题也会从数学角度考虑,
  设置一些数学知识、方法上的“陷阱”,以考查学生应用数学解决问题的能力。下面就例举
  一二,从几个典型问题出发,在似是而非之间剖析数学对物理学习负迁移的影响。
  2.1 导数陷阱
  高中物理中有很多研究变化率的问题,开始没学导数之前,教师补充讲“斜率”概念,指导
  学生如何看图象“曲与直”,当同学们学习完导数后那就更容易了,但是在物理解题应用中
  发现反而更容易出错了。
  例1 压敏电阻的阻值R随所受的压力增大而减小,某兴趣小组利用压敏电阻
  设计了判断电梯运动状态的装置。其装置示意图如图1所示,将压敏电阻平放在电梯内,受
  压面向上,在上面放一物体A,电梯静止时电压表示数为U0。电梯在某次运动过程中,电
  压表的示数变化情况如图2所示,为倾斜直线,则电梯可能做
  A。匀速上升B。匀减速下降
  C。变减速上升 D。变减速下降
  错解 由图象可看出为线性函数,而结合题中所给“压敏电阻的阻值R随所受
  的压力增大而减小”条件,可判定物体处于超重状态下,因此可能做匀减速下降,故选B
  。
  解析 根据分压原理有U0=[SX(]R[]R R0 r[SX)]E,如果电梯在匀减速下
  降,其压力变大但是恒定的,因此电压表示数比U0小但为定值,即为平行时间轴的直线。
  由题给出的图线,我们可设定U=U0-kt,即
  [SX(]R[]R R0 r[SX)]E=U0-kt,
  整理可得压敏电阻的阻值R随时间关系式为
  R=[SX(](R0 r)(U0-kt↑)[]E-U0 kt↑[SX)]↓,
  这说明压力正在增大的过程,因此为电梯可能正在做变减速下降,而且加速度在增大的减速
  运动,故选D。
  点评 此题为单选题,但班级学生答题错误率高达47%,学生选B的理由
  就是因为电压时间图线导数恒定,必为匀变速运动,先排除C、D答案,造成根本性的错
  误。究
  其原因是受数学导数负迁移作用,没有具体分析函数关系,最终导致出错。
  2.2 向量陷阱
  高中物理中有许多物理量为矢量,物理方程为矢量方程,因此学生进入高中以后从标量的学
  习到矢量的学习就会有个适应过程,而当学生学完数学向量后,都会有豁然开朗的感觉,但
  也要学会具体问题具体分析,正确地应用向量知识,以防止犯低级错误。
  例2 质量为2 kg的物体在光滑水平面上以5 m/s的速度匀速前进,
  从某时刻起它受到的一个水平方向的恒力作用,如果此力大小为4 N,则物体
  ①5 s末的速度大小可能是15 m/s,位移大小可能是50 m;
  ②5 s末的速度大小也可能是5 m/s;
  ③5 s末的速度大小也可能是10 m/s;
  ④5 s内的位移可能是零,也可能是50[KF(]2[KF)] m。
  以上说法正确的是
  A。①② B。③④ C。①③ D。①②③④
  解析 由题意可知,物体的加速度大小为
  a=[SX(]F[]m[SX)]=2 m/s2,
  而速度[AKv→]t=[AKv→]0 Δv[TX→],
  其中Δv[TX→]=[AKa→D]?Δt=10 m/s,
  可作出速度矢量合成图,如图3所示,因此5 s末的速度大小可能范围为vt∈[5,15
  ] m/s。
  而此时物体的运动可视为两个分运动组成,一个是5 m/s的匀速直线运动,另一个是恒
  力
  作用下的初速度为0的匀加速直线运动,运动合成如图4所示,即[AKs→D]=[AKv→D]0t
  [TX→] [SX(]1[]2[SX)][AKa→D]t2,5 s内的位移大小可能范围为S∈[0,50]
  m。
  点评 速度、位移均为矢量,其运算法则为平等四边形法则或三角形法则,
  有同学只考虑到了矢量的方向相同或相反两种情况,错选A答案,而没有能充分讨论矢
  量方向各种可能性,
  尤其是分运动位移的矢量合成,这种应用上的偏差与失误一方面是物理方法不当,另一方面
  就是因为对数学向量理解不透彻,数学负迁移形成的。
  2.3 函数陷阱
  高中物理解题中有时会使用函数,如有些问题我们可以用三角函数写出物理解析方程,但是
  我们往往会在数学上卡壳,会陷入数学函数的泥潭而忘记了物理“本身”。
  例3 一轻绳一端固定在O点,另一端拴一小球,拉起小球使轻绳水平,然后   无初速度的释放,如图5所示,小球在运动至轻绳达到竖直位置的过程中,小球所受重力的
  瞬时功率在何处取得最大值?
  常规解法 当小球运动到绳与竖直方向成θ角时重力的功率为
  P=mgvsinθ,
  小球从水平位置下摆到此位置时,由机械能守恒有
  mgLcosθ=[SX(]1[]2[SX)]mv2,
  解得P=mg[KF(]2gLcosθsin2θ[KF)],
  要解决这一函数的极值,我们可设新函数
  y=cosθsin2θ,
  而y=cosθsin2θ=[KF(][SX(]1[]2[SX)](2cos2θsin
  4θ[KF)]
  =[KF(][SX(]1[]2[SX)](2cos2θsin4θ)[KF)]
  =[KF(][SX(]1[]2[SX)](2cos2θ?sin2θ?sin2θ)[KF)],
  又因为2cos2θ sin2θ sin2θ=2(sin2θ cos2θ)=2.
  根据基本不等式
  a b c≥3[KF(]abc[KF)],
  定和求积知:当且仅当2cos2θ=sin2θ,y有最大值,
  由2cos2θ=1-cos2θ,当cosθ=[SX(][KF(]3[KF)][]3[SX)]时,y及功率P
  有最大值。
  物理解法 对小球受力分析,当在竖直方向加速度为0,即竖直方向合力为0
  时其竖直方向速度最大,即Tcosθ=mg,再由向心力公式与机械能守恒定律列式可得
  T-mgcosθ=[SX(]mv2[]L[SX)],
  [SX(]1[]2[SX)]mv2-0=mgLcosθ,
  联立解得cosθ=[SX(][KF(]3[KF)][]3[SX)]。
  点评 本题大都数学生都能看出小球的竖直分速度是先变大再变小,但何处
  最大,一开始不少同学简单地认为θ=45°时竖直分速度最大,而使用三角函数表达式展开
  发现,这变成一个有点
  复杂的数学问题,如果学完导数求此极值还算容易,但需要花不少时间求解,如果使用不等
  式可能就超出高中数学要求(高中数学中a b c≥3[KF(]abc[KF)]不作要求),因此,使用数
  学方法求解此题无疑
  是下策,费时而易错,而命题者更想考查学生的是物理思想,学会从受力角度寻求临界点,
  然后结合物理方程轻松求解,这样就需要真正突破函数的陷阱,寻求全新的解题角度。
  2.4 解析陷阱
  高中物理中也会涉及动点轨迹等问题的分析,这时就会需要用解析法求解轨迹方程,在具体
  分析过程中我们需要数学推理与证明,但更需要理解、感悟,毕竟数学模型的建立是解决数
  理应用题的关键与难点,将物理问题真正数学化的时候,就要面对数学的挑战,要有能力去
  解决它,否则会半途而废。
  例4 如图6所示,在xOy平面内有许多电子(每个电子质量为m,电量为e)从
  坐标原点O不断地以相同大小的速度v0沿不同的方向射入第Ⅰ象限。现加上一个垂直于xOy
  平面的磁感强
  度为B的匀强磁场,要求这些电子穿过该磁场后都能平行于x轴向x轴正方向运动,试求出
  符合该条件的磁场的最小面积。
  常规解法 所有电子在所求的匀强磁场中均做匀速圆周运动,由ev0B=[SX(]
  mv20[]R[SX)]得半径为R=[SX(]mv0[]eB[SX)]。设与x轴成α角入射的电子从坐标为(x
  ,y)的P点
  射出磁场,则有x2 (R-y)2=R2,此式即为电子离开磁场的边界b,当α=90°时,电子
  的运动轨迹为磁场的上边界a,其表达式为(R-x)2 y2=R2,由这两式所确定的面积就
  是磁场的最小范围,如图7所示,其面积为
  S=2([SX(]πR2[]4[SX)]-[SX(]R[]2[SX)])2=[SX(]π-2[]2[SX)]([SX(]mv0[]e
  B[SX)])2.
  点评 本题的难点是有界磁场下边界的确定与求解,通过解析法求动点的轨
  迹方程的方法无
  可厚非,但是学生用此法解题的难点是数学模型的建立,特别是难以确定动点的参量如何去
  保证题设要求,因此用解析法解题会使学生思路陷入迷茫,甚至于无从下手。而根据轨迹圆
  的特点,圆的最高点速度方向必水平,即沿x正方向,因此此时对应的圆心应该就在该点正
  下方R处,此圆心又到坐标原点O距离为R,因此,我们可先确定满足题设条件的轨迹圆的圆
  心的位置,应为以原点O为圆心,以R为半径的1/4圆弧,如图8所示中c所示,则磁场的下边
  界弧线b就可以将弧线c向上平移R即得。因此,物理习题过于数学化将使物理失去魅力,学
  生考试时失去时间,这也是数学深度负迁移的表现。
  2.5 概率陷阱
  概率是表征随机事件发生可能性大小的量,是事件本身所固有的不随人的主观意愿而改变的
  一种属性,其中概率均等原理是概率论的基本原理,在高中物理中也有涉及,但大都数学生
  对此类问题敏感性较差,无法正确建立概率模型,从而陷入解题死角。
  例5 现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上,若这些受激氢原子最
  后都回到基态,则在此过程中发出的光子总数是多少?假定处在量子数为n的激发态的氢原
  子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的1/(n-1)。   A。2200B。2000C。1200D。2400
  解析 如图9所示,由题中信息知,处在量子数为4的能级上的1200个氢原子
  均分成三份:4
  00个氢原子由第4能级直接跃迁到基态,发出400个能量最大的光子;400个氢原子由第4能级
  跃迁到第2能级,发出400个光子;400个氢原子由第4能级跃迁到第3能级,发出400个光子
  ,此过程一共发出了1200个光子;处在量子数为3的能级上的400个氢原子又均分成2份:20
  0个氢原子由第3能级直接跃迁到基态,发出200个光子;200个氢原子由第3能级跃迁到第2能
  级,发出200个光子,此过程一共发出了400个光子;处在量子数为2的能级上的氢原子一共有
  600个,它们跃迁到基态发出600个光子;综合可知,此过程中发出的光子总数是2200个。
  点评 本题中最后一句话其实就是跃迁的概率,并且遵循概率均等原理,我
  们可以用赋值法
  理解此句话的含义,如取n=4,则较低能级有n-1=3个,则跃迁到每个较低能级的概率即为1/
  3,搞清关键问题后,就能层层分析推理出所求总数。然而有不少同学受数学概率影响,难
  以将物理跃迁与概率结合起来,无从下手。
  3 结语
  不少学生在高中物理学习中往往摆脱不了数学思维模式的影响,导致他们学习高中物理很不
  适应。其实物理学不同于数学,物理学更注重物理事实、物理本质和物理关系。如果忽视对
  事物本质的认识,不考虑物理规律的成立条件,将物理问题简单地当成纯数学问题处理,则
  相关的数学知识就会促使学生形成错误的物理概念和规律,而能够使用物理方法解决的问题
  偏偏要用数学方法求解,这也会无形中增加学习物理的难度,而过分“数学化”的处理也会
  降
  低学习物理的乐趣,失去物理现象及规律中蕴藏着的丰富内涵。实践证明,学习具有一种累
  积的效果,尽管数学知识对高中学生学习物理会有一定的负迁移影响,但学好物理决不能离
  开数学这门工具,教师应积极引导学生减小负迁移。最大限度地利用正迁移。
  中学物理课程标准指出:“在使学生掌握基础知识的同时,应关注物理学与数学科之间的联
  系,重视培养学生应用数学知识处理物理问题的能力,发挥数学工具在物理学发展过程中的
  作用。”由此可见,在高中物理教学中要促进数学与物理知识的融合,平时教学中要引导学
  生正确运用数学知识和方法解决物理问题,引导学生把数学方法和物理方法结合起来,善于
  建立“数学模型”的同时更善于建立“物理模型”,达到数理并行发展的目的。同时物理教
  师在
  讲解物理规律、概念时,应注重对物理规律数学式的解析与演绎,提高学生对数学式的认知
  能力,注重数学与物理的相互渗透,只有这样才能使学生获得的物理知识更全面、更系统,
  也能有效地预防数学的负迁移。
  
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