本源教學(xué) 識(shí)物明理

策劃人：方觀生

本期欄目主持人：熊宏華

策劃人語(yǔ)：“物理定律不能單靠‘思維來獲得，還應(yīng)致力于觀察和實(shí)驗(yàn)。…‘本源教學(xué)識(shí)物明理”的教學(xué)理念便致力于做到這樣，其主張讓學(xué)生在玩中學(xué)、在看中思、在做中悟，有效地打破了學(xué)生認(rèn)為物理學(xué)科枯燥又抽象的固有偏見，使學(xué)生對(duì)身邊諸多物理現(xiàn)象懷揣一顆好奇之心，讓學(xué)生玩出智慧、看出門道、悟出真諦。

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，注重觀察和實(shí)驗(yàn)是我們學(xué)好物理的重要方法之一。在生活中多觀察、多實(shí)驗(yàn)、多琢磨，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)物理原來很有趣，并逐漸明白其中的很多道理。

一、玩中學(xué)

“玩”是大家喜聞樂見的字眼，玩讓人開心、讓人快樂，其實(shí)，很多玩的活動(dòng)蘊(yùn)含著豐富的物理知識(shí)，只有用心去玩才能玩出樂趣、玩出智慧、玩出意想不到的收獲。

（一）玩杠桿

請(qǐng)估算你做俯臥撐的平均功率是多少？

這是一個(gè)常見而典型的原始物理問題，沒有給出解題的物理量，沒有設(shè)定特定的物理模型，也沒有明確考查的物理規(guī)律和方法。要解決這個(gè)問題，學(xué)生需要在玩中體會(huì)，把俯臥撐運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，分解、抽象出相應(yīng)的物理模型。

如圖1所示，做俯臥撐時(shí)，人體可抽象成一個(gè)杠桿，結(jié)合生活實(shí)際對(duì)相關(guān)物理量賦值，假設(shè)人體的體重為50kg，重心在臀部附近，他在1min內(nèi)做了30個(gè)俯臥撐，每次肩部上升的距離為0.4m，就可估算出做俯臥撐的功率約為67W。

不難看出，要估算做俯臥撐的平均功率，必須忽略非本質(zhì)、次要的因素，突出研究客體的主要矛盾，抽象出理想的物理模型，集中反映出問題的本質(zhì)和規(guī)律。原始問題的解決恰恰就是以建立物理模型為基礎(chǔ)的，而物理模型的建立離不開抽象思維，如質(zhì)點(diǎn)模型、點(diǎn)電荷模型、理想氣體模型、彈簧振子模型等，都是理想化的實(shí)體模型，做俯臥撐人體玩的就是杠桿。

（二）玩重心

形態(tài)可變的物體，其重心位置是可變的，像人體的重心位置就可通過人體姿勢(shì)的改變來調(diào)控。在許多體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，人就是通過對(duì)自身重心位置的有效調(diào)控來把握動(dòng)作要領(lǐng)、發(fā)揮較好的成績(jī)。例如，跳高的常見姿勢(shì)一般有跨越式和背越式，但要想跳出較好的成績(jī)必須采用背越式，這是什么原因呢？

跨越式跳高，過桿時(shí)人體呈“大”字形（如圖2），盡管人將兩腿盡可能分開，但其重心O肯定在橫桿以上;而背越式跳高，過桿時(shí)人體呈弓形，重心O不僅在人體之外，且可在橫桿以下。對(duì)某一運(yùn)動(dòng)員而言，他能將自己的重心提升的高度是一定的，因而對(duì)他來說，跳高時(shí)采用背越式肯定比采用跨越式跳得高些，從兩種姿勢(shì)的對(duì)比圖示中不難看出，在重心等高的情況下，背越式跳過的高度明顯大于跨越式。當(dāng)然，身體的柔韌性越強(qiáng)，將身體彎曲得越厲害，重心就下移得越多，成績(jī)就越好，這就是跳高時(shí)背越式勝過跨越式的奧秘。

這里的圖解將跨越式和背越式抽象成“大”字形與“弓”字形，簡(jiǎn)單明了，通過將過桿時(shí)“兩跳”的重心鎖定在同一高度（如圖3虛線所示），背越式過桿的高度優(yōu)勢(shì)就顯而易見了，這里的“重心”可謂點(diǎn)睛之作。從某種意義上講，跳高玩的就是重心。

（三）玩電磁爐

在講電磁感應(yīng)、渦流現(xiàn)象時(shí)，教師將一匝接有LED燈的封閉線圈往一個(gè)光禿禿的盒子上一放，學(xué)生眼前一亮，燈著了，全場(chǎng)人的眼球一下被吸引過來，掀開盒子，里面露出的是一個(gè)電磁爐，掀開電磁爐臺(tái)板，里面露出的是“黃金餅”一樣的線圈，于是話題便展開了……

渦流看不見、摸不著、很抽象，為增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)知，教師用了幾個(gè)半徑不同、均連有發(fā)光二極管的單匝圓形線圈由內(nèi)至外呈同心圓狀平鋪在電磁爐的臺(tái)板上，接通電源，二極管便閃閃發(fā)光。依據(jù)實(shí)情實(shí)景，教師引導(dǎo)學(xué)生分析，慢慢認(rèn)識(shí)了渦流：當(dāng)線圈越加越多，到密不可分時(shí)，就會(huì)構(gòu)成一個(gè)平面，將這些平面層疊起來，就對(duì)應(yīng)一整塊導(dǎo)體。一圈一圈的感應(yīng)電流就像旋渦一樣，這種產(chǎn)生在整塊導(dǎo)體內(nèi)部的感應(yīng)電流稱為渦流。（PPT展示渦流的動(dòng)態(tài)圖示）

細(xì)心的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)，教師在做“隔空點(diǎn)燈”和“渦流顯形”的演示時(shí)，電磁爐臺(tái)板的中央總是放置一個(gè)鋁質(zhì)的盛水小杯，這里面有什么奧秘呢？只見教師撤掉小杯，單獨(dú)將連有燈泡的線圈放在電磁爐上，只聽到電磁爐發(fā)出滴、滴、滴的報(bào)警聲，無法正常工作。教師解釋說，電磁爐里面有一個(gè)啟動(dòng)識(shí)別電路，只有達(dá)到相應(yīng)的“有效載荷”才會(huì)啟動(dòng)工作，否則它就罷工，將鋁質(zhì)的盛水小杯放在其中，電磁爐才會(huì)識(shí)別啟動(dòng)。看來教師做演示實(shí)驗(yàn)就像魔術(shù)師變魔術(shù)一樣，不僅要讓觀眾知其然，還要讓觀眾知其所以然！

沒想到餐臺(tái)上的電磁爐竟成了物理課堂上不可多得的實(shí)驗(yàn)器材，意外！好奇！驚嘆！“節(jié)外生枝”，一個(gè)接一個(gè)的生動(dòng)細(xì)節(jié)把學(xué)生帶入了熟悉而又神秘的物理世界，讓學(xué)生欲罷不能.這堂課玩的就是電磁爐。

二、看中思

面對(duì)豐富多彩的大干世界，“看”也是一樁賞心悅目的事。眼睛是心靈的窗戶，也是人體直接感知外界的重要器官，能學(xué)好物理的人必然有一雙慧眼，這雙眼睛不僅能感知多姿多彩的自然現(xiàn)象與社會(huì)現(xiàn)象，還會(huì)察覺現(xiàn)象背后的物理。

（一）看實(shí)物

水銀體溫計(jì)是最常用的人體體溫測(cè)量工具，它操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高，是每個(gè)家庭保健箱中的必備用品，體溫計(jì)中的水銀液柱很細(xì)，細(xì)到有時(shí)讀數(shù)時(shí)都不易察覺，但轉(zhuǎn)過一個(gè)合適的角度常常會(huì)看到一個(gè)又粗又亮的“水銀柱”，這其中有什么奧妙呢？

為此，筆者要求學(xué)生寫一篇題為“體溫計(jì)中的幾何光學(xué)知識(shí)”的短文，學(xué)生興趣濃厚。幾天后檢查學(xué)生寫的短文，大約有五分之二的學(xué)生達(dá)成了這樣的共識(shí)：圖示為體溫計(jì)中部橫截面示意圖。

可以說，水銀柱既處于凹面鏡的焦點(diǎn)又處在凸透鏡焦距以內(nèi)，正是這凸透鏡的放大作用和凹面鏡的聚光作用，讓水銀柱變得又粗又亮，當(dāng)觀察者正對(duì)刻度線讀數(shù)時(shí)，便會(huì)看到很粗很亮的“水銀柱”，這其實(shí)是又細(xì)又不起眼的水銀柱所成的放大而扮亮的虛像。 這大概是每個(gè)人都會(huì)遇到的原始情景了，從什么視角畫圖分析呢？橫截面示意圖做出了最好的回答。

（二）看圖示

（2011年江蘇高考題）如圖所示，演員正在進(jìn)行雜技表演。由圖可估算出他將一只雞蛋拋出的過程中對(duì)雞蛋所做的功最接近于（?）

A. 0.3 J B.3J C.30J D.300 J

分析過程如下：

解答此題，除構(gòu)建出上述物理模型外，雞蛋上拋的最大高度和雞蛋質(zhì)量的賦值也顯得尤為重要。除依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)估計(jì)雞蛋的質(zhì)量外，還要依據(jù)圖示細(xì)節(jié)估計(jì)雞蛋上拋的最大高度，從圖中不難看出，人抬手齊腰將雞蛋向上拋出，最高點(diǎn)與人的嘴巴齊平，這個(gè)高度大約是0.5m，雞蛋的質(zhì)量大概是0.05kg，根據(jù)動(dòng)能定律可求得他將一只雞蛋拋出的過程中對(duì)雞蛋所做的功最接近于答案A。

江西省特級(jí)教師黃恕伯對(duì)本題進(jìn)行了經(jīng)典評(píng)價(jià)，他認(rèn)為估計(jì)雞蛋的質(zhì)量，是否屬于物理課應(yīng)該掌握的內(nèi)容？根據(jù)圖示細(xì)節(jié)估計(jì)雞蛋上拋的最大高度是否屬于物理課應(yīng)該掌握的內(nèi)容？答案是肯定的，因?yàn)樗鼈兏S目標(biāo)、物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向密切相關(guān)，它源于生活，所涉及的知識(shí)是高中的核心知識(shí)，是一道體現(xiàn)新課程理念的好題。

（三）看情景

曲線運(yùn)動(dòng)方向是曲線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，人教版教材引入飛鏢突破這個(gè)難點(diǎn)，效果還是不錯(cuò)的。

類似的實(shí)踐情境還有噴氣式飛機(jī)機(jī)身軸線的指向，跟飛機(jī)噴出氣體所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡相切。汽車照亮前方道路的光束，跟汽車運(yùn)動(dòng)的軌跡相切。下面就有這樣一道題。

某摩托車（或電單車）在平直公路上行駛時(shí)，車前照明燈的光束跟平直的道路很吻合。當(dāng)該車轉(zhuǎn)彎時(shí)，其前、后車輪在地面上留下了不同的曲線軌跡，試問：照明燈束的指向是跟以下哪條軌跡相切？

A.前輪的軌跡

B.后輪的軌跡

C.該車前、后輪連線中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

D.條件不夠，無法確定

我們將這道題拿到基礎(chǔ)較好的實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行測(cè)試，選A的占35%、選B的占25%、選C的占30%、選D的不過10%，能做出正確選擇的學(xué)生很少，這說明當(dāng)下學(xué)生的原始問題自覺意識(shí)非常淡薄，尤其是選C的學(xué)生幾乎沒有這種意識(shí)。

心目中有上面的情景圖就知道：黃車車前燈光束跟前輪的軌跡相切;藍(lán)車車前燈光束跟后輪的軌跡相切;而紅車就另當(dāng)別論了，轉(zhuǎn)向燈光束跟前輪的軌跡相切，車架燈光束跟后輪的軌跡相切。答案D才是對(duì)的。

（四）看現(xiàn)象

如圖4，當(dāng)磁極移近或遠(yuǎn)離鋁環(huán)會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？這是人教版3-2楞次定律后的一道習(xí)題。有人主觀地認(rèn)為當(dāng)磁極移近或遠(yuǎn)離封閉的A環(huán)時(shí)，才會(huì)發(fā)生“來拒去留”的現(xiàn)象，真正做實(shí)驗(yàn)才會(huì)發(fā)現(xiàn)：不論磁極移近或遠(yuǎn)離哪個(gè)環(huán)，均會(huì)發(fā)生“來拒去留”現(xiàn)象，只是A環(huán)比B環(huán)更加顯著。

但一些教師并沒有正視這一現(xiàn)象，甚至把B環(huán)的“小動(dòng)作”歸結(jié)為氣流的擾動(dòng)，其實(shí)不然，當(dāng)在條形磁鐵的一端增加小強(qiáng)磁塊（其他條件不變）做比較實(shí)驗(yàn)便不難看出，隨著磁極磁性的增強(qiáng)，B環(huán)的“小動(dòng)作”會(huì)越來越大。基于這一客觀的物理現(xiàn)象便能做出正確的解釋：A環(huán)的“大動(dòng)作”是由于磁通的變化激發(fā)的環(huán)狀電流和環(huán)體渦流與磁極的共同作用所致，而B環(huán)的“小動(dòng)作”僅僅是環(huán)體渦流所致。

俗話說：外行看熱鬧，內(nèi)行看門道，這物理學(xué)中看的可都是門道呀！

三、做中悟

“做”是一個(gè)漢字詞語(yǔ)，由沒有到存在之間的過程，做就是創(chuàng)造，做對(duì)于學(xué)好物理太重要了，物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，必須親自參與到物理過程中才會(huì)悟出真諦來。

（一）做游戲

良好的開端是成功的一半，新課的導(dǎo)人是課堂教學(xué)中起始而又關(guān)鍵的一環(huán)，一般分認(rèn)知導(dǎo)入、方法導(dǎo)入和情感導(dǎo)入三大類，通過做游戲激疑，誘發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲就是情感導(dǎo)入的有效嘗試。

在上自感課，引入新課時(shí)教師請(qǐng)了幾位學(xué)生上講臺(tái)參與如圖所示的實(shí)驗(yàn)：合上開關(guān)，參與的學(xué)生沒感覺，可斷開開關(guān)時(shí)參與同學(xué)確有明顯觸電的感覺，這種“反常”的現(xiàn)象立刻引起全班學(xué)生的高度關(guān)注，新課的學(xué)習(xí)就這樣圍繞破解“反常”背后的玄機(jī)展開，收到良好效果。

新課《平拋運(yùn)動(dòng)》的引入是從“圓圈套公仔”的游戲開始的，2020年是豬年，教師特意準(zhǔn)備了幾個(gè)“小豬佩奇”的公仔讓學(xué)生上講臺(tái)套，誰(shuí)套著了，公仔就獎(jiǎng)給誰(shuí)，學(xué)生都來了興致，課堂一下熱鬧起來。一看就是個(gè)有門道的技術(shù)活兒，有學(xué)生三兩下就套中了，有的怎么也套不著。

教師發(fā)話了：“估計(jì)大家都有過做這種游戲的經(jīng)歷，想想看，這圓圈拋出時(shí)都有什么講究？”教師邊說邊隨機(jī)給幾個(gè)學(xué)生發(fā)放圓圈讓學(xué)生在體驗(yàn)中感悟，學(xué)生單臂伸開手拿圓圈在水平面內(nèi)小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)圓圈做拋出狀。

“水平拋出！”幾個(gè)學(xué)生幾乎是異口同聲回答。

“對(duì)了，是平拋！那么要想提高套公仔的成功率有什么竅門兒？這與物理學(xué)中的什么運(yùn)動(dòng)有關(guān)？”教師邊說邊板書新授課題：平拋運(yùn)動(dòng)。

（二）做驗(yàn)證

氣泡向前移動(dòng)？

面對(duì)如圖所示的裝置，教師發(fā)出了這樣的疑問：做勻速直線運(yùn)動(dòng)的小車上水平放置一密閉的裝有水的瓶子，瓶?jī)?nèi)有一氣泡，當(dāng)小車突然停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣泡相對(duì)于瓶子怎樣運(yùn)動(dòng)？

這個(gè)十分具體的情景問題很快吸引了大部分學(xué)生的注意力，不少學(xué)生脫口而出：“氣泡向前運(yùn)動(dòng)！”教師問：“氣泡為什么會(huì)向前運(yùn)動(dòng)？” 學(xué)生回答：“由于慣性。”“氣泡相對(duì)于瓶子真的向前運(yùn)動(dòng)？”學(xué)生疑惑、沉默……這時(shí)，筆者引導(dǎo)學(xué)生探究、討論：“瓶子中有幾種狀態(tài)的物質(zhì)？”“哪種狀態(tài)的物質(zhì)質(zhì)量大？”“質(zhì)量大的物質(zhì)意味著什么？”“慣性大的物質(zhì)又意味著什么？”

一個(gè)接一個(gè)切中學(xué)生思維脈搏的問題引發(fā)了學(xué)生熱烈的討論，通過一番爭(zhēng)論與辨析逐步達(dá)成共識(shí)（思維的共鳴）。

此題涉及的研究對(duì)象不僅是氣泡，還有水。由于慣性的大小與質(zhì)量有關(guān)，而水的質(zhì)量遠(yuǎn)大于氣泡質(zhì)量，因此水的慣性遠(yuǎn)大于氣泡的慣性，當(dāng)小車突然停止時(shí)，水保持向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)遠(yuǎn)大于氣泡向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)水相對(duì)于瓶子向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，水將擠壓氣泡，使氣泡相對(duì)于瓶子向后運(yùn)動(dòng)。

接下來的演示印證了師生的共識(shí)。

對(duì)上述問題的討論不僅找到了問題的正確答案，更重要的意義是加深了學(xué)生對(duì)牛頓第一定律的理解。對(duì)培養(yǎng)學(xué)生縝密的思維品質(zhì)無疑會(huì)起到積極作用。

水會(huì)噴出來？

上“超重和失重”課時(shí)，討論了超重現(xiàn)象后，教師就開始涉及完全失重現(xiàn)象，為讓學(xué)生得到充分的感性認(rèn)識(shí)，教師演示了這樣的實(shí)驗(yàn)：將一個(gè)裝滿水的開口飲料瓶，底部鉆孔，水便從底部噴出，當(dāng)他松開手讓瓶子自由下落時(shí)，學(xué)生驚奇地看到：瓶在下降過程中，水不再?gòu)目字袊姵觥＝處熞龑?dǎo)學(xué)生逐步分析，瓶子做自由落體運(yùn)動(dòng)，只受重力作用，同樣瓶中的水也是做自由落體運(yùn)動(dòng)，只受重力作用，這說明水與瓶體間沒相互擠壓的力，所以水不會(huì)從孔中噴出。

教師并沒有就此對(duì)完全失重現(xiàn)象做出理論上的結(jié)論，而是不失時(shí)機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生猜想：如果將瓶子豎直上拋，水會(huì)從孔中噴出嗎？大部分學(xué)生認(rèn)為水會(huì)從孔中噴出，甚至認(rèn)為上拋時(shí)水會(huì)比靜置時(shí)噴得更遠(yuǎn)，只有少數(shù)學(xué)生持懷疑態(tài)度，在這種情況下，幾個(gè)學(xué)生主動(dòng)上臺(tái)相互商議、協(xié)作，進(jìn)行了探究式的實(shí)驗(yàn)演示，他們分別將盛水瓶豎直上拋、斜上拋、平拋、斜下拋，出乎意料的情景出現(xiàn)了，無論往哪個(gè)角度拋出瓶子，水均不會(huì)從孔中噴出。通過引導(dǎo)學(xué)生分析對(duì)比拋體運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)的異同，使大家意識(shí)到，只要水瓶?jī)H受重力作用，水就不會(huì)噴出，與水瓶的運(yùn)動(dòng)方向、速度大小無關(guān)，然后，教師以完全失重現(xiàn)象為突破口，從特殊到一般，結(jié)合生活中的實(shí)例討論、分析，使學(xué)生對(duì)失重這一現(xiàn)象有了比較深刻的認(rèn)識(shí)。

（三）做實(shí)驗(yàn)

懸停的直升機(jī)

在講物體的平衡時(shí)，教師讓玩具遙控直升機(jī)懸停在講臺(tái)的上方，引導(dǎo)學(xué)生分析：飛機(jī)在空中處于平衡狀態(tài)的奧妙何在？飛機(jī)受力情況如何？與重力平衡的力何以產(chǎn)生？活靈活現(xiàn)的生活情景，現(xiàn)實(shí)具體的物理問題幾乎觸動(dòng)了所有學(xué)生的神經(jīng)，引發(fā)強(qiáng)烈的思維碰撞，有效加深了學(xué)生對(duì)受力分析、牛頓第三定律內(nèi)涵的深入理解。

矛盾的摩擦力

在“研究摩擦力”的課堂教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析了行駛中的汽車輪（后輪驅(qū)動(dòng)）所受摩擦力的情況，通過多方啟發(fā)費(fèi)了很大周折才勉強(qiáng)得出結(jié)論：汽車在行駛時(shí)，前輪受到的摩擦力向后，后輪受到的摩擦力向前。這時(shí)有位同學(xué)站起來不解地說：“老師，依照這個(gè)結(jié)論，汽車前、后輪受到的摩擦力不是相互矛盾嗎？”“對(duì)，你說得沒錯(cuò)，汽車后輪受到的摩擦力對(duì)汽車來說是驅(qū)動(dòng)力，汽車前輪受到的摩擦力對(duì)汽車來說是阻力。”看著學(xué)生似懂非懂的神情，教師明白，學(xué)生對(duì)這一問題還是一知半解。

在接下來的第二次課中，教師有意顛倒了教材編排順序，提前學(xué)習(xí)了牛頓第三定律。教師擺出了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置，看著講臺(tái)上的這套裝置，學(xué)生瞪大了眼睛。當(dāng)教師用遙控器啟動(dòng)電動(dòng)小汽車時(shí)，讓學(xué)生料想不到的一幕出現(xiàn)了：與前輪接觸的木板被向前推出，與后輪接觸的木板被向后推出。如何解釋這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？教師要求學(xué)生結(jié)合剛剛學(xué)習(xí)的牛頓第三定律，自己找原因，得結(jié)論。學(xué)生通過討論分析思路逐漸清晰，這都是輪與板間的相互摩擦所致，依據(jù)兩板的運(yùn)動(dòng)方向就可應(yīng)用牛頓第三定律推敲出汽車前、后輪所受摩擦力的方向。上節(jié)課遺留的疑惑順理成章地破解了。教師又不失時(shí)機(jī)進(jìn)一步指出，汽車前、后輪所受的摩擦力產(chǎn)生的效果雖然是矛盾、對(duì)立的，但又是統(tǒng)一的：當(dāng)前、后輪所受摩擦力大小相等時(shí)，汽車勻速前進(jìn)，當(dāng)后輪所受摩擦力大于前輪所受的摩擦力時(shí)，汽車加速前進(jìn)。

上述兩例直觀的實(shí)物演示，倒逼學(xué)生深度思考，激發(fā)了學(xué)生的物理思維，突破了教學(xué)的難點(diǎn)。

做俯臥撐、跳高……這都是健身的活兒;

耍雞蛋、玩飛鏢、套公仔……這都是玩游戲;

體溫計(jì)、電磁爐、摩托車……這都是生活的用具;

盛水的瓶子、遙控小汽車、小飛機(jī)……這些都是小孩的玩具;

有人說生活即物理，物理即生活，筆者以為：這就是物理教學(xué)的本源！