芻議初高中物理教學(xué)銜接的幾個(gè)問題

林立燦 鄭渝

摘 ? 要：自上世紀(jì)末以來，我國中學(xué)物理界就一直在探討著一個(gè)有關(guān)初高中物理教學(xué)的銜接問題。有關(guān)此類研究的論文也很多，但大都集中在如何針對(duì)高一學(xué)生的特點(diǎn)，調(diào)整教學(xué)方式及方法方面的研究。本文以高一物理有關(guān)重力及重力加速度的教學(xué)為切入點(diǎn)，探討在初高中物理教學(xué)銜接過程中，教師應(yīng)力避應(yīng)試教育思想，重視對(duì)教學(xué)內(nèi)容和物理學(xué)科教育功能的研究。

關(guān)鍵詞：初高中物理教學(xué)銜接;重力;重力加速度;萬有引力

1 ? 重力及重力加速度教學(xué)實(shí)錄

高一年級(jí)物理教學(xué)過程中涉及重力和重力加速度的部分主要有：①在《勻變速直線運(yùn)動(dòng)》這一章中，學(xué)習(xí)了自由落體運(yùn)動(dòng)，知道自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度為重力加速度;②在《相互作用》這一章中，學(xué)習(xí)了重力，知道物體所受重力等于質(zhì)量乘以重力加速度;③在《萬有引力定律及其在天文學(xué)上的應(yīng)用》這一章節(jié)中，又提及重力和重力加速度。

在高一教學(xué)中都會(huì)有這樣一個(gè)情景，老師在講授重力這一節(jié)時(shí)往往會(huì)說，重力是由于地球?qū)ξ矬w的吸引而產(chǎn)生，但這并不意味著重力就是地球?qū)ξ矬w的吸引力。此時(shí)學(xué)生總會(huì)感覺十分困惑，這是什么意思？為什么？老師們則會(huì)告訴學(xué)生，等到我們學(xué)習(xí)了萬有引力定律后就知道了。很可惜，現(xiàn)行的各種版本的物理必修2教材中，在萬有引力定律及其應(yīng)用這一章節(jié)，均沒有對(duì)此問題做出詳細(xì)的解釋。有些避而不談，有些則含糊不清，如果老師們?cè)谶@一章節(jié)的教學(xué)中沒有進(jìn)行補(bǔ)充，學(xué)生往往一知半解，無法正確理解重力和萬有引力的關(guān)系。

筆者教學(xué)中，在學(xué)生學(xué)習(xí)過萬有引力定律后，就會(huì)補(bǔ)充給學(xué)生做如下的闡述：

先提出問題，我們?cè)趺粗雷约河卸嘀兀?/p>

在學(xué)生思考與討論后，教師給出以下解答和歸納。如圖1所示，當(dāng)人靜止不動(dòng)站立在一個(gè)臺(tái)式彈簧秤上時(shí)，人受二個(gè)力，一個(gè)是重力G，另一個(gè)是彈簧秤對(duì)人的支持力N，由于二力平衡，重力G的大小與支持力N的大小相等，方向相反。又因?yàn)楦鶕?jù)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，人對(duì)彈簧秤反作用力N′的大小等于N的大小，彈簧秤讀數(shù)是顯示N′的大小，即N的大小。這樣師生就達(dá)成了以下共識(shí)：靜止地站在彈簧秤的人，彈簧秤對(duì)人的支持力N的大小就是人所受重力G的大小，而N的大小可以從彈簧秤讀出。如果我們知道人的質(zhì)量m，將彈簧秤的讀數(shù)除以人的質(zhì)量m，就是當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋磄===）。學(xué)生對(duì)此沒有任何意見。

這時(shí)筆者在黑板上呈現(xiàn)一個(gè)大地球，告知學(xué)生臺(tái)式彈簧秤是放在地球上的，如圖2所示，那么此時(shí)人受幾個(gè)力？二個(gè)力，一個(gè)是地球?qū)θ说娜f有引力，指向地心O，還有一個(gè)是彈簧秤對(duì)人的支持力N?，F(xiàn)在這個(gè)支持力N還是與萬有引力F引在一條直線上嗎？如果不是，那又應(yīng)該怎么畫？經(jīng)過教師引導(dǎo)，學(xué)生們都知道了，由于地球有自轉(zhuǎn)，因此在地球上與地球保持相對(duì)靜止的任何物體都是隨地球繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的合外力一定指向圓心O′。這樣我們對(duì)人進(jìn)行受力分析時(shí)應(yīng)該先畫出指向地心O的萬有引力F引=（其中G為萬有引力常量，M為地球質(zhì)量，m為人的質(zhì)量，R為地球半徑），若將地球看成質(zhì)量分布均勻的球體，如果人的質(zhì)量m已知，這個(gè)F引也是可以計(jì)算的，再畫出人隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力F向，如果你知道秤重時(shí)自己所處的緯度φ，這個(gè)F向也是可以計(jì)算出來的，其方向指向圓心O′，最后利用萬有引力F引與支持力N的合力等于向心力F向這一結(jié)論，就可以通過平行四邊形定則作出支持力N的圖示。

經(jīng)過以上討論之后再問學(xué)生，現(xiàn)在彈簧秤的對(duì)人支持力N的大小，即重力G的大小等于萬有引力F引的大小嗎？不相等！那怎么計(jì)算這個(gè)N呢？即重力的大小呢？由圖2可知，萬有引力F引的大小總是大于支持力N的大?。粗亓的大?。?，相差最大的位置是在赤道位置，而在南北兩極，因?yàn)槲矬w無需自轉(zhuǎn)向心力，所以萬有引力F引的大小等于支持力N的大?。粗亓的大?。?。實(shí)際上，若取地球的質(zhì)量M=6.0×1024kg，地球的半徑R=6.4×106m，以靜止站在福州（北緯26°）地面彈簧秤上質(zhì)量為60kg人為例，人所受萬有引力大小是：

F引=G=6.67×10-11×N=586.2N

而該人隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力大小是：

F向=m2Rcosφ

=60×2×6.4×106×cos26°N=1.823N

由此可知，圖中平行四邊形兩鄰邊之比為：

==322倍

也就是該平行四邊形圖實(shí)際上是一個(gè)極其狹長的平行四邊形，即萬有引力F引的大小非常接近于支持力N的大小。如果不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，也就是不用考慮向心力，那么萬有引力的大小F引就等于支持力N的大小，即重力G的大小。

對(duì)于這個(gè)問題，我們還可能這樣看，如圖3所示，我們把地面彈簧秤上的人所受的萬有引力分解為F1和人隨地球自轉(zhuǎn)所需的向心力F向，則重力的大小等于萬有引力的一個(gè)分力F1的大小。這就是我們?cè)趯W(xué)習(xí)重力那一節(jié)時(shí)所說的，重力是由于地球?qū)ξ矬w的吸引而產(chǎn)生的，不能簡(jiǎn)單說重力就是地球?qū)ξ矬w的吸引力，但如果不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，則萬有引力的大小與重力的大小相等。

根據(jù)這個(gè)理論，我們還可能計(jì)算出地球表面的重力加速度與緯度的關(guān)系式：

支持力N大?。粗亓大小）：

N=（1）

重力加速度大?。篻=（2）

其中：F引=G，F(xiàn)向=mω2Rcosφ（3）

由式（1）、（2）、（3）各式可得：

g=（4）

將地球質(zhì)量M=6.0×1024kg，萬有引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2，地球半徑R=6.4×106m及地球自轉(zhuǎn)角速度ω==rad/s=7.2685×10-5rad/s代入式（4）可得地球表面重力加速度與緯度的關(guān)系式：

g=（5）

從該式我們可以得到，南北兩極重力加速度最大，赤道處重力加速度最小，即隨著緯度增大重力加速度不斷增大。

根據(jù)地球表面重力加速度與緯度的關(guān)系式，我們可以計(jì)算出各個(gè)地方的重力加速度的理論值并與測(cè)量值 [1 ]進(jìn)行比較，如表1所示：

2 幾點(diǎn)思考

2.1 ? 在初高中物理教學(xué)銜接問題中要重視對(duì)教學(xué)內(nèi)容的研究

筆者在查閱相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，我國關(guān)于初高中物理銜接教學(xué)問題的研究始于上世紀(jì)90年代初，興于本世紀(jì)初。大部分相關(guān)論文都集中在教學(xué)方法研究上，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的研究很少。筆者認(rèn)為，物理教學(xué)成功的首要因素是要能解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的困惑，樹立物理學(xué)科在學(xué)生心目中的地位，讓學(xué)生喜歡物理學(xué)科。

學(xué)生剛進(jìn)入高一學(xué)習(xí)重力時(shí)，老師和課本都告訴學(xué)生，重力是由于地球?qū)ξ矬w的吸引而產(chǎn)生，但不能說重力就是地球?qū)ξ矬w的吸引力。很多同學(xué)有疑問，這是為什么？重力到底是什么，如何測(cè)量，它與萬有引力又有什么聯(lián)系？有的老師會(huì)表示，學(xué)習(xí)完萬有引力后大家就會(huì)知道了，但現(xiàn)行的課本到物理必修2介紹完萬有引力定律及其應(yīng)用后也沒有解答學(xué)生在這方面的困惑。趙凱華編著的《新概念高中物理讀本》 [2 ]在解釋上述問題時(shí)是用到了慣性力，這顯然對(duì)高一學(xué)生不適合。針對(duì)這一問題，筆者在高一下學(xué)期就補(bǔ)充進(jìn)行本篇論文前述的教學(xué)。在上述教學(xué)過程中，通過設(shè)計(jì)一個(gè)人靜止站在地面彈簧秤上秤體重的例子，在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生在已有的數(shù)學(xué)和物理知識(shí)基礎(chǔ)上，理解什么是重力，什么是重力加速度，如何測(cè)量，重力與萬有引力有什么關(guān)系，從而解答了學(xué)生的疑惑，均取得了很好的教學(xué)效果。在此教學(xué)過程中，還會(huì)伴隨著學(xué)生的歡笑聲。如在黑板上呈現(xiàn)圖2時(shí)，問學(xué)生這個(gè)歪歪站的人不會(huì)掉下來嗎？隨后歸納：如果這樣站不住的話，地球上沒人了。學(xué)生在一片笑聲中明白了其中的物理原理。

重力和重力加速度是學(xué)生進(jìn)入高中后首先遇到的重要且基礎(chǔ)的物理概念，如果我們?cè)诮虒W(xué)中沒有給學(xué)生清晰的表達(dá)，就會(huì)造成學(xué)生的困惑。而長此以往，學(xué)生對(duì)此類物理概念不甚了解，知其然而不知其所以然，就會(huì)大大降低物理學(xué)科在學(xué)生心目中的地位，從而會(huì)影響高中物理教學(xué)效果。因此筆者認(rèn)為，在解決初高中物理教學(xué)銜接問題中教師應(yīng)當(dāng)重視對(duì)教學(xué)內(nèi)容的研究，將經(jīng)過精心加工與設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)過程呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，使學(xué)生喜歡物理，從而引出潛藏在學(xué)生內(nèi)心的學(xué)習(xí)潛能，這樣才會(huì)達(dá)到物理教學(xué)應(yīng)有的效果。

2.2 ? 在初高中物理教學(xué)銜接問題中要重視對(duì)物理學(xué)科教育功能的研究

有讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，依據(jù)本文中所列出的地球表面重力加速度與緯度的關(guān)系的表達(dá)式所計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際值有一定差距。其中的主要原因是，關(guān)系式是在假設(shè)地球是一個(gè)質(zhì)量分布均勻的球體的前提下推導(dǎo)得到的，但地球真實(shí)的情況不是這樣的。有的人會(huì)因?yàn)檫@個(gè)表達(dá)式不精確，認(rèn)為這樣推導(dǎo)得到的式子沒有意義了。但恰恰相反，筆者認(rèn)為，這正是物理學(xué)科教育功能的體現(xiàn) 。高中物理教學(xué)不僅要強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳授，更要強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究方法的培養(yǎng)，讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的探究過程，使學(xué)生體驗(yàn)以其目前所能具備的知識(shí)水平如何研究世界，在這一過程中不斷培養(yǎng)學(xué)生通過建立模型并利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的能力，使他們不斷地接近真理，讓學(xué)生體會(huì)研究自然和分析自然的樂趣，這比單純地做幾道純粹的物理試題更加有意義。因此筆者認(rèn)為，在高一物理教學(xué)階段，不能一味地降低對(duì)學(xué)生的要求，讓高一物理教學(xué)具有較濃厚的“物理味”，為實(shí)現(xiàn)高中物理的教育功能奠定基礎(chǔ)。

2.3 ? 高中物理教學(xué)應(yīng)力避應(yīng)試教育思想

在筆者進(jìn)行初高中物理教學(xué)銜接研究后發(fā)現(xiàn)：如果把初中物理理解成山底，則高中物理就是山頂。初高中物理教學(xué)銜接問題主要源自于以往從山底到山頂是一條陡直狹長的山路，很多學(xué)生由于智力及非智力因素，無法到達(dá)山頂。我們物理教師應(yīng)把物理學(xué)看成一座風(fēng)景如畫的大山，通過建造一條寬闊的盤山大道，讓學(xué)生在順利到達(dá)山頂?shù)倪^程中又感受到物理大山的魅力，從而真正喜歡物理，為順利完成高中物理教學(xué)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

從改革開放恢復(fù)高考后到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的高考，物理學(xué)科積累了大量各式各樣不同類型的試題。受功利教育思潮的影響，我們的高中物理教學(xué)很容易變成以習(xí)題為主的教學(xué)，如果那樣，就會(huì)完全失去了高中物理學(xué)科教育的本質(zhì)。物理教師應(yīng)深入鉆研學(xué)科內(nèi)容和教學(xué)方法，研究學(xué)生的需求，在課堂上展現(xiàn)物理學(xué)科的獨(dú)特魅力，讓學(xué)生真心喜歡物理，同時(shí)讓學(xué)生感受與體驗(yàn)物理學(xué)科所特有的分析問題與解決問題的方法，就像本篇論文第一部分所提到的實(shí)例，那樣的教學(xué)過程雖然不是習(xí)題課，但它也具備了習(xí)題課相當(dāng)多的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理1[M].北京：人民教育出版社，2004.

[2] 趙凱華，張維善. 新概念高中物理讀本第一冊(cè)[M]. 北京：人民教育出版社，2010.