轻质模型因不考虑其质量,在运用牛顿定律时,平动中有F1-F2=ma,m=0故F1=F2,即轻质模型两端受力大小总是相等。在实际的应用中,学生由于对有质量物体印象深刻而总是不能理解轻质物体的运动和受力特点。
误区一:倒果为因。从F1=F2入手得到受力平衡从而物体加速度为0、速度不变的结论。
实际上,F1-F2=ma中,因m=0而a可取任意值,故物体的速度变化量△v=a△t可以取的任意值。从“力是改变运动状态的原因”因果逻辑虽然F1=F2推出二力平衡,但是F1=F2是在轻质模型中得到的结论,是m=0的果。如何让学生便于突破理解上的难点呢?
轻质模型的构建过程:
将m≠0→m趋于0→m=0的演进过程展示。
m≠0时,F1-F2=ma,不同的F1、F2有不同的a。当m很小时,△F=F1-F2很小就可以获得很大的a。
比如m=1×10-5kg,△F=10-2N时,a=103m/s2;
m=1×10-10kg,△F=10-5N时,a=105m/s2
让学生直观地数据感受。
当m→0时,△F有限值将得到a→∞。
a=△F/m在m→0时可为任意值,△F与m为同阶无穷小,从而F1=F2。
误区二:时间完成等同于过程不需要时间。
在轻质模型中,有时轻质物体的速度回突变,突变的时间△t→0,但不等同于△t=0。
△v=a△t在轻质模型下,当△F是m的低阶无穷小时,即a=△F/m→∞时,△v=a△t可以是任意值。在实际上,m不可能是0而是特别小的量,而△F是很小的量而非严格等于0。轻质物体速度“突变”过程所经历的时间也是“极短”而非严格等于0.
弹簧(弹性绳)与不可伸长绳子之间的对比。
对于弹簧的弹力与形变而言,学生是心理上容易接受的,而“不可伸长”绳子上的弹力从何而来学生是不易接受的。
本质上来说“不可伸长”绳子的弹力与弹簧弹力是一回事——应变与应力的关系。对于弹簧有F=kx,对于不可伸长的绳子可以理解为其k特别大而x(形变)非常微小。比如产生F=10N的张力,当k=100N/m时,x=0.1m,当k=1×105N/m时x=1×10-4m,当k=1×108N/m时,x=1×10-7m.
而我们常说的弹簧弹力不可突变而轻绳中弹力可突变,原因便是“突变”实际指的是“极短时间”而不是无时间经历。对于弹簧,由于k较小而x相对可观,在△t很小(比如F=10N,k=100N/m,x=0.1m,牵连物质量m=1kg,△t=10-5s)时,形变恢复量x1=5×10-10m,与弹簧形变量x相比可忽略。而对于不可伸长的绳子,k=1×105N/m,x=1×10-4m,m=1kg,△t=10-5s时x1=5×10-5m,x1与x可比拟,即绳子中的力在△t=10-5s极短时间内可变成另一个值了,而在相同的时间内弹簧的弹力不变。
以前学生容易出现的误区即为引起第二次数学危机的原因——没有理解“无穷小”与“绝对0”的辩证关系。
在数学中,绝对“0”是不可以作为除数,而很小的数是可以作为除数的。当很小的数不断“靠近”“0”时,在被除数不变的情况下商将不断变大。但是,当被除数也是很小的数时,其商可能是有限的,这可用同阶无穷小、高阶无穷小等概念来进一步解释。
据传在牛顿发明出微积分时,一个很懂数学的大主教以此而发出了诘难,只不过牛顿及其跟随者不予理会,该用“0”作除数时毫不犹豫,最终得到了丰硕的成果。但也因此让很多普通人无法深刻理解微积分。直到以柯西等人为代表的数学家回过头解释清了“无穷小”与“绝对0”的区别和联系,人们才如释重负。