物理教學(xué)與ＳＴＳ教育的關(guān)系

摘要：本文提出了物理教學(xué)與STS教育的關(guān)系，論述了物理教學(xué)與STS和諧結(jié)合的積極效應(yīng)。通過對(duì)體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域三大球類運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)現(xiàn)象剖析，以具體的案例論述了在物理教學(xué)中如何進(jìn)行STS教育的滲透。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；STS教育；球類運(yùn)動(dòng)；力學(xué)現(xiàn)象

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2008)11(S)-0030-3

1 物理教學(xué)與STS教育

我們知道，科學(xué)技術(shù)如一把“雙刃劍”，在給人類帶來幸福的同時(shí)，也將災(zāi)難降落人間，怎樣才能實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)與人類社會(huì)的和諧發(fā)展?

在進(jìn)行力學(xué)部分的教學(xué)時(shí)，涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及功與能方面的內(nèi)容時(shí)，若能很好地將教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生感性認(rèn)識(shí)特別強(qiáng)烈的生活事件聯(lián)系起來將會(huì)取得很好的效果。我們知道，體育運(yùn)動(dòng)中的籃球、排球、足球三大球類運(yùn)動(dòng)在中學(xué)是相當(dāng)普及的，在教學(xué)過程中既可用物理學(xué)原理來分析三大球類運(yùn)動(dòng)中的特點(diǎn)和規(guī)律，也可以從學(xué)生對(duì)三大球類運(yùn)動(dòng)中的直觀認(rèn)識(shí)中去挖掘物理學(xué)原理，這樣就可以做到物理學(xué)中有生活，生活中有物理學(xué)。下面通過剖析三大球類運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)現(xiàn)象來論證物理教學(xué)中的STS滲透。

2 籃球運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)現(xiàn)象

籃球運(yùn)動(dòng)因其趣味性、娛樂性、技術(shù)性、合作性的社會(huì)屬性特點(diǎn)在中學(xué)體育運(yùn)動(dòng)中相當(dāng)普及。仔細(xì)挖掘和分析籃球運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，可以找出其中蘊(yùn)含著很多的物理現(xiàn)象。在籃球運(yùn)動(dòng)中，球員在處于籃板的兩側(cè)進(jìn)攻時(shí)是最易命中的，這在運(yùn)動(dòng)中有一個(gè)專門的術(shù)語叫做“擦板籃”。為什么擦板籃很易進(jìn)框呢？這可以從籃球與籃板的碰撞來進(jìn)行分析。如圖1所示，將籃球以恰當(dāng)?shù)牧Χ纫院线m的角度擊向籃板中黑色的矩形區(qū)域，則球?qū)幕@板上反彈，球則很易入籃框，這可用動(dòng)量守恒定律來解釋，設(shè)籃球的質(zhì)量為m1，碰前的速度為v1，籃板的質(zhì)量為m2，碰后籃球的速度為v1′，籃板的速度為v2′。此種情況雖然不是完全滿足動(dòng)量守恒定律的條件，但是可以如此處理，認(rèn)為籃板的質(zhì)量m2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球的質(zhì)量m1，在碰撞過程中若不考慮機(jī)械能的損失，則有： v1′=v1， v2′=0 ，且若碰前籃球以與籃板成多大的角度射入，碰后則其以與籃板同樣的角度反彈出來。根據(jù)這個(gè)力學(xué)規(guī)律，在投擦板籃時(shí)，且又是近距離出手，較易控制好投球時(shí)球與籃板的角度及出手的力度，那么就很易讓球進(jìn)框。

我們知道，美國是全世界的籃球王國，國內(nèi)職業(yè)籃球運(yùn)動(dòng)即NBA對(duì)全球的影響之大令人嘆服，在NBA中一些職業(yè)球員超水平發(fā)揮的技能往往也令人嘆為觀止。在NBA中?？梢姷揭环N饒有趣味的現(xiàn)象，比如進(jìn)攻方球員在發(fā)后場(chǎng)球時(shí)，在終場(chǎng)前不到一秒種的時(shí)間內(nèi)必須出手，那么可能制勝的唯一辦法就是在后場(chǎng)籃框下一接球就將球拋向?qū)Ψ降幕@框，而往往有進(jìn)框命中的情況發(fā)生?，F(xiàn)在可以大致估測(cè)一下該運(yùn)動(dòng)員一接球時(shí)出手的速度大約為多大時(shí)才有可能使球從后場(chǎng)進(jìn)到前場(chǎng)的框中。標(biāo)準(zhǔn)的籃球場(chǎng)從后場(chǎng)到前場(chǎng)的長(zhǎng)度為28m，假設(shè)運(yùn)動(dòng)員投球時(shí)是相對(duì)于水平面為53°投出，籃球出手時(shí)的高度比籃框的高度低50cm，此種情況可用圖2來表示。若不考慮空氣阻力，則籃球在空中的運(yùn)動(dòng)是斜拋體運(yùn)動(dòng)，以球出手時(shí)為坐標(biāo)原點(diǎn)，前行的水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸，則球的運(yùn)動(dòng)可分解為x方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)，y方向的豎直上拋運(yùn)動(dòng)。x方向所發(fā)生的位移為整個(gè)球場(chǎng)的長(zhǎng)度，即28m；y方向的位移為0.5m。設(shè)球初速為v0，則可根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立如下方程：



x=v0cosθt ①；

y=v0sinθt-12gt2 ②

聯(lián)立上兩式解得：

v0=g2(xtanθ-y)#8226;xcosθ③

以x=28m，y=0.5m，θ=53°。代入③式得：

v0=17.5m/s。

3 排球運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)現(xiàn)象

排球運(yùn)動(dòng)中有一些基本的技術(shù)，如“墊球”、“撐球”、“扣球”、“上手發(fā)球”、“下手發(fā)球”等。運(yùn)動(dòng)員將球用雙手墊起的主要作用是將球以平緩下落的狀態(tài)送給二傳，以讓二傳有充分的時(shí)間組織進(jìn)攻戰(zhàn)術(shù)。排球在空中的運(yùn)動(dòng)可近似看作為豎直上拋運(yùn)動(dòng)，若忽略空氣阻力，排球在空中的運(yùn)動(dòng)為豎直上拋運(yùn)動(dòng)。若從球員雙手墊起點(diǎn)的高度彈出的球速度為v0，那么排球下落至拋出點(diǎn)時(shí)的速度也應(yīng)為v0，且排球上升和下落的過程所用的時(shí)間各為v0/g。但是，如果計(jì)入空氣阻力呢？結(jié)果會(huì)有何不同呢？顯然，物體的初末速度大小不再相等，因?yàn)榭諝庾枇κ冀K與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，故做負(fù)功。對(duì)地球和拋體組成的系統(tǒng)來說，外力只有空氣阻力，根據(jù)功能關(guān)系，空氣阻力做功為：W=12mv2t-12mv20，且空氣阻力做功W為負(fù)功，即W<0，所以有vt

排球運(yùn)動(dòng)中的上手發(fā)球，球在空氣中的運(yùn)動(dòng)近似平拋運(yùn)動(dòng)；下手發(fā)球時(shí)球在空氣中的運(yùn)動(dòng)近似斜上拋運(yùn)動(dòng)。在排球運(yùn)動(dòng)中，最重要的且顯現(xiàn)進(jìn)攻方的攻擊能力的一項(xiàng)技術(shù)莫過于“扣球”了?？矍蜻@項(xiàng)技術(shù)在排球運(yùn)動(dòng)中相當(dāng)關(guān)鍵，而在網(wǎng)前三米線擊球時(shí)，若能掌控好尺度則更為關(guān)鍵，若力度小了，球則過不了網(wǎng)；若力度大了，則又會(huì)飛出界外，所以球被出擊時(shí)所獲得的速度起著關(guān)鍵的作用，為此，特對(duì)此問題進(jìn)行詳細(xì)而具體的探究。標(biāo)準(zhǔn)排球場(chǎng)的總長(zhǎng)為18m，網(wǎng)高為2m，運(yùn)動(dòng)員在離網(wǎng)3m處正對(duì)網(wǎng)前豎直跳起把球垂直于網(wǎng)水平出擊，設(shè)擊球點(diǎn)高度為2.5m，如圖3所示?，F(xiàn)在考慮球被水平擊出時(shí)在什么范圍內(nèi)才能使球既不觸網(wǎng)也不出界。在講究攻擊性的同時(shí)，其前提條件是不失誤，要做到這一點(diǎn)，一要保證球不觸網(wǎng)，此時(shí)排球沿臨界軌跡Ⅰ運(yùn)行；二要保證球不越出界，此時(shí)排球沿臨界軌跡Ⅱ運(yùn)行。以擊球點(diǎn)的正下方O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸，以豎直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，因?yàn)槭秦Q直起跳擊球，可將排球的運(yùn)動(dòng)軌跡近似看作是平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律有：



x=v0t ①；

y=12gt2 ②。

第一種情況，沿著軌跡Ⅰ運(yùn)動(dòng)時(shí)，排球恰不觸網(wǎng)，x=3m，y=2.5m-2m=0.5m，將x，y值代入得：v0=9.5m/s。

第二種情況，沿著軌跡Ⅱ運(yùn)動(dòng)時(shí)，排球恰不出界時(shí)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律也是平拋運(yùn)動(dòng)，僅是x，y值有所變化，x=3m+9m=12m，y=2.5m，將x，y值代入得：v0=17m/s，所以水平擊球后使球既不觸網(wǎng)，也不出界的速度范圍為：9.5m/s≤v0≤17m/s。

4 足球運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)現(xiàn)象

足球運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)員主要用腳去踢球（也可用前胸或頭部接觸球，但絕不充許用手去接觸球，否則視為手球犯規(guī)）。在足球運(yùn)動(dòng)中，也有許多專業(yè)術(shù)語，比如：“擲界外球”、“發(fā)任意球”、“發(fā)球門球”、“越位”等。在這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中我們探究運(yùn)動(dòng)員踢地滾球的情形，運(yùn)動(dòng)員用足踢球心后讓球在草地上滾動(dòng)，考慮在此情況下運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球做功的大小。如圖4所示，設(shè)足球的質(zhì)量為m，被運(yùn)動(dòng)員踢后在草坪上滾動(dòng)了距離S后停下來了，從動(dòng)力學(xué)角度來分析，運(yùn)動(dòng)員瞬間作用于足球上的力應(yīng)該為變力，設(shè)為F，在這種情況下，運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球所做的功是否為FS呢？顯然不是，因?yàn)楹懔λ龅墓Φ墓讲攀荳=FScosθ，式中的力F一定是沿著位移S持續(xù)作用的恒力，而運(yùn)動(dòng)員踢足球的力，是瞬間作用于球上的，故運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球所做的功不是FS。仔細(xì)分析，運(yùn)動(dòng)員作用于足球上的力，從開始接觸足球到足球發(fā)生形變△l，及至足球飛出的過程，運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球的作用力應(yīng)是變力，而對(duì)變力作功的求法，若用功的定義來求，則需借助微積分W=∫Fcosθdl來求。而借助動(dòng)能定理來求則可避開微積分，動(dòng)能定理指的是合外力對(duì)物體所做的功等于動(dòng)能的增量，即，W=△EK。而在此種情況中，僅有運(yùn)動(dòng)員對(duì)球做功，設(shè)球離開運(yùn)動(dòng)員足時(shí)的速度為v，則運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球所做的功為W=12mv2-0=12mv2，若要建立功W與足球在草坪上滾動(dòng)的距離S的聯(lián)系，則需考慮球離開運(yùn)動(dòng)員足后在草坪上滾動(dòng)的情況，在這一階段，合外力做功只有摩擦力做負(fù)功，設(shè)球與草坪的動(dòng)摩擦因素為μ，則有：-μmgS=0-12mv2，即μmgS=12mv2，據(jù)此可以看出，運(yùn)動(dòng)員對(duì)足球所做的功可以表示為μmgS，而不是FS。



再考究守門員發(fā)球門球時(shí)“開大腳”的情形。在世界杯足球賽上，曾有守門員“開大腳”直接將球踢進(jìn)對(duì)方球門的情形，要直接開進(jìn)對(duì)方球門，守門員對(duì)足球要使出多大的力呢？如圖5所示，足球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)全長(zhǎng)為105m，設(shè)球從場(chǎng)地上以與水平成θ=45°角作斜上拋運(yùn)動(dòng)，初速度為v0，空中飛行時(shí)間為T，則有：



x=v0cosθT ①

y=v0sinθT-12gT2 ②

當(dāng)y=0時(shí)，可解得：v0=gxsin2θ，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入可得 ：v0=32.4m/s。

球離開運(yùn)動(dòng)員足時(shí)的初速度要達(dá)到32.4m/s這個(gè)值，運(yùn)動(dòng)員的足該承受多大的力呢？因?yàn)樽闱蛐巫冚^大所以相應(yīng)的時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)運(yùn)動(dòng)員足從接觸球到球離開的這個(gè)形變過程所用的時(shí)間△t=0.5s，設(shè)足球受到運(yùn)動(dòng)員的足的平均作用力為F，則根據(jù)動(dòng)量定理有：

FΔt=mv0-0，所以有：F=mv0Δt，設(shè)足球的質(zhì)量為400克，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入可算得F約為26N。由此可見，守門員要開大腳直接開進(jìn)對(duì)方的球門要使出較大的力氣，幸虧足球的形變較大，所費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，有緩沖的作用，所以運(yùn)動(dòng)員也不會(huì)因此受傷。



5 結(jié)束語

通過對(duì)三大球類運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)現(xiàn)象的分析可以看出，用物理學(xué)原理分析了球類運(yùn)動(dòng)的一些相關(guān)技能的成因及在球類運(yùn)動(dòng)中所蘊(yùn)含的物理知識(shí)，其本質(zhì)就是物理教學(xué)生活化，即物理教學(xué)應(yīng)貼近學(xué)生的生活，讓學(xué)生從自己熟悉的生活現(xiàn)象中探索并認(rèn)識(shí)物理規(guī)律。當(dāng)然，教師適時(shí)還應(yīng)將學(xué)生學(xué)到的物理知識(shí)及科學(xué)研究方法與社會(huì)實(shí)踐及其應(yīng)用結(jié)合起來，使學(xué)生體會(huì)到物理在生活與生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。教師在講述與物理學(xué)的有關(guān)知識(shí)時(shí)，若能很好地與生活中的一些事例聯(lián)系起來，進(jìn)行充分的挖掘與探究，還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的極大興趣，培養(yǎng)學(xué)生在生活實(shí)踐中的創(chuàng)造能力。這里需要指出的是教師在教學(xué)中在講清楚物理基本知識(shí)的同時(shí)，要注意充分挖掘教材中的STS教育因素，通過設(shè)計(jì)合理的教學(xué)過程，在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，把STS教育與知識(shí)技能、過程方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀等教學(xué)要求和諧地結(jié)合起來。

參考文獻(xiàn):

［1］孟昭輝編著. 物理課程與教學(xué)論［M］. 長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)出版社 .2005

［2］魏冰. STS與理科課程改革［J］. 比較教育研究 .1999，（2）

［3］施良方著. 學(xué)習(xí)論［M］.北京： 人民教育出版社. 1994

(欄目編輯鄧 磊)