F = ma 之概念推理與盲點
- 觀念物理
- 撰文者：張慧貞
- 發文日期：2016-04-01
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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。
F=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:
小試身手
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) Fc (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