体会利用斜坐标系处理部分质点平面运动中的优势。
实例:如图2所示,在倾角为的斜坡坡底处,以初速度、与斜面夹角为的方向抛射物体,求物体在斜面上的射程[3]。
为了集中体现斜坐标系在处理类似问题中的作用,我们不妨用直角坐标系的和斜坐标系两种方法来解决这个问题。
方法1. 直角坐标系法
通过解题,大部分学生觉得解题过程比较复杂,无论在哪个坐标轴上,物体的运动形式不是最简单的,比如匀速直线运动,自由落体运动,初速为零的匀变速直线运动等;此外,在具体解题过程中,学生必须面对繁琐的数学计算等。如果采用斜坐标系处理,情形又会是怎么呢?
方法2. 斜坐标系法
我们可以以抛出时为初始时刻建立如图3所示的二维斜坐标系,其中轴的方向与方向一致,轴与重力加速度的方向一致。在该斜坐标系中,质点的平面运动是由沿方向的匀速直线运动和沿重力方向的自由落体运动合成的。
斜坐标系最明显的特点是每一个坐标轴代表质点的最基本的运动形式,例如匀速直线运动,自由落体运动等;其次,该方法充分利用矢量性质和数学定理。基于这些,斜坐标系法具有计算简单,理解容易,过程直接等特点。
五、总结
在质点的平面运动教学中,斜坐标系处理方法的作用不仅仅局限于上述情形,上面的例子只是窥豹一斑,挂一漏万,不足以说明教学的全部,但是通过前述实例可以看出有时采用斜坐标系可以实现如下主要教学效果。
1.在质点平面运动中,适时巧妙的引入斜坐标系有利于简化物理过程
斜坐标系相比直角坐标系没有本质上的不同,只是在处理质点的平面运动时,斜坐标系在对运动分解后的运动形式更为直接、简单。从例子可以看出来,在斜坐标系中,可以把质点的运动分解为最简单的匀速直线运动和最基本的初速为零的匀加速直线运动;而在直角坐标系中,两个坐标轴上的分运动依然是初速不为零的匀变速直线运动,这样一来,斜坐标系方法可以大大简化处理过程。
2.有时利用斜坐标系处理问题,有利于学生加深对矢量的性质、数学定理的理解和运用
在用斜坐标系方法处理运动学问题时,学生必须对矢量的平移不变性这一性质有较深的认识和理解,同时依据平移不变性,学生要具备善于巧妙构建矢量三角形的能力;此外,从数学角度而言,要求学生能熟练地运用正玄定理处理物理问题,所有这些要求无疑会提高学生解决物理问题的综合素质。
3.斜坐标系方法的引入有利于培养学生的创新思维
面对质点平面运动问题时,绝大部分学生习惯于、甚至依赖于直角坐标系(这当然不失为一种方法),作为教师,不分实际情况而一味地采用直角坐标系处理问题,这种教法无疑会导致学生方法单一、思维僵化、解题老套、效果低下的叫人堪忧的被动局面[4];反之,如果教师能根据教学实际巧妙的引入斜坐标系,这种另辟蹊径的教学方法定会使学生思维耳目一新、面对新的物理问题情境会变得豁然开朗、迎刃而解;潜移默化中,学生的创新思维会得到极大地锻炼和提升。
参考文献:
[1]漆安慎、杜婵英主编.力学(第二版)[M].北京:高等教育出版社, 2002: 408–416.
[2]梁昆淼主编.力学(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2010: 108–166.
[3]张汉壮、王文全主编.力学(第三版)[M].北京:高等教育出版社, 2015: 40–49.
[4]张瑞琨主编.中学教学全书·物理卷(第一版)[M].上海:上海教育出版社, 1996: 454–455.
作者简介:
孟波(1974--)男,湖南邵阳人,副教授,理学博士,主要研究方向:自旋电子学、微纳光学与大学物理实验教学。