教育 物理

F = ma 之概念推理與盲點

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撰文者:張慧貞
發文日期:2016-04-05
點閱次數:1916
  • 物理是一門極具挑戰的課程,而它的困難之處往往是物理觀念的理解不足。為了協助學生掌握正確物理概念的內涵與用法,觀念問題的開發與適當的引用就顯得非常重要。
    過去幾年來,筆者曾多次受邀到國高中物理教師研習,深入探討「觀念物理」的題材開發與課堂引用的技巧。過程中,教師們透露出他們對觀念試題的重視與需求。另外,筆者也曾多次到高中課堂,親自試教「觀念物理」課程,藉由2~3堂課的時間,深入探討某一單元的概念內涵,也獲得許多學生的熱烈迴響,甚至主動要求更多類似的題材,讓他們能夠自學。

    因此,透過此一專欄,筆者將分享過去多年來所研發的「觀念物理」試題。教師可以將此試題直接引入課堂,先給予學生充分的時間思考或討論,之後再進行講解,以落實概念理解的教學目的。「先測後教」的流程非常重要,因學生須先警覺到自己原有的盲點,才能進而驅使他們有進一步理解科學概念的動力。
    本專欄的內容要點包含:
    1) 主題情境
    2) 觀念試題
    3) 詳解與困難剖析
    4) 學習/推理策略探討。
    筆者也歡迎讀者針對本專欄的內容提出評論或建議,以供後續的改進依據。


    starF=ma 之概念推理與盲點

    本項「觀念物理」單元,引用了一項在一般實驗器材店都可購得的教具(如圖1)。此一軌道教具通常用於演示「力學能守恆」,但若拿來設計「牛頓定律」的觀念試題,包含「力圖分析」、「力」、與「加速度」,更可包裝出許多挑戰性的觀念題。試題如下:

    star小試身手
    FMA1
    圖1:力學軌道教具探討力與加速度
     
    如圖1所示,球沿著軌道滾下,軌道對地面維持靜止,且忽略軌道之摩擦力,同時D→E及E→F之曲率半徑皆為維持固定,試回答下列問題。

    1.      (   ) 球在B點所受之力,包含以下哪些向量?
             (A)↓  (B) ↓、↗ (C) ↓、↗、↘  (D) ↓、↗、→  (E) ↓、↗、←

    2.     (   ) 球在C點之加速度方向應為何?
            (A)↑   (B) ↓  (C) →   (D) ←  (E) 加速度為零

    3.     (    ) 球在G點之加速度方向應為何?
            (A)↓   (B)↗    (C) ↙   (D) ←  (E) 加速度為零 

    4.     (   ) 試比較球在D點時,球之重力及正向力之大小關係為何?
            (A)正向力>重力 (B)正向力=重力(C) 正向力<重力  (D)無法判斷

    5.     (   ) 若球在F點之向心力為Fc,重力為mg,則球所受之正向力(N)為何?
            (A) N = mg  (B) N = Fc   (C) N = Fc -mg  (D) N = Fc + mg

    6.     (   ) 承上題,球在F點時所受之合力為何?
           (A) mg  (B) F  (C) Fc - mg  (D) Fc + mg

    7.     (   ) 承上題,球沿著軌道之D→E→F之運動過程中,球的速度大小應該如何?
           (A) 漸增 (B) 漸減 (C) 先增後減 (D) 先減後增     (E) 保持定值

    8.     (   ) 承上題,球沿著D→E→F之運動過程中,球的切線加速度應該如何?
            (A) 漸增 (B) 漸減 (C) 先增後減 (D) 先減後增 (E) 保持定值

    9.     (    ) 承上題,球沿著D→E→F之運動過程中,球的法線加速度應該如何?
            (A) 漸增 (B) 漸減 (C) 先增後減 (D) 先減後增 (E) 保持定值


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