以藏族文化生活為例，開發(fā)藏區(qū)中學(xué)物理課程實(shí)驗(yàn)資源

李毛才讓，張國(guó)恒，2*，尕桑拉毛，2

(1.西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.電子材料國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

不同的民族有不同的文化歷史背景，藏族文化生活中有許多現(xiàn)象和富含物理原理，這些現(xiàn)象能很好地與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容相結(jié)合，使學(xué)生能夠從形象的實(shí)例中學(xué)習(xí)、掌握物理知識(shí)，同時(shí)也能體會(huì)到藏族人民在適應(yīng)自然環(huán)境方面表現(xiàn)出的智慧.

義務(wù)教育階段《物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿)》明確指出：“使用身邊隨手可得的物品進(jìn)行探究活動(dòng)和各種實(shí)驗(yàn)，可以拉近物理學(xué)與生活的距離，讓學(xué)生深切地感受到科學(xué)的真實(shí)性，感受到科學(xué)和社會(huì)，科學(xué)和日常生活的關(guān)系”[1].隨著新課程改革的深入，新教材要求教學(xué)器材全面、精密、直觀.而藏區(qū)的部分學(xué)校，實(shí)驗(yàn)器材嚴(yán)重不足，教師想做實(shí)驗(yàn)也無(wú)法做.因此，開發(fā)生活中的物理實(shí)驗(yàn)資源是很有必要的[2].

在新課程改革理念的指導(dǎo)下，經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)較差的藏族中學(xué)開發(fā)基于本民族特色的低成本中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)資源，不僅可以彌補(bǔ)藏族中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器的缺乏，還有利于提高中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，并能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望.同時(shí)還可以豐富中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，促進(jìn)教師的專業(yè)成長(zhǎng)和辦學(xué)特色方面均具有重要的意義[3].如何開發(fā)和利用民族特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源已成為許多教育工作者十分關(guān)注的問題[4].因此，本文以藏族文化生活為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)具有藏族特色實(shí)驗(yàn)資源的三種案例，有效地將民族文化融入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，充分發(fā)揮民族特色的優(yōu)勢(shì)、并對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和民族教育的快速發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用[5].

1 藏族生活的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)資源開發(fā)

1.1 利用轉(zhuǎn)經(jīng)筒開發(fā)圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)資源

人教版新課標(biāo)高中《物理》第一冊(cè)第五章“曲線運(yùn)動(dòng)”的第五節(jié)內(nèi)容是“向心力 向心加速度”，實(shí)驗(yàn)部分向心力演示器選作為實(shí)驗(yàn)儀器，如圖1所示.該儀器操作較為復(fù)雜，會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生畏難抵觸情緒，容易導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果達(dá)不到要求.

而藏族宗教文化中的轉(zhuǎn)經(jīng)筒就是其中一個(gè)蘊(yùn)藏圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程資源的實(shí)例，轉(zhuǎn)經(jīng)筒有大有小，小的可以握在手里.藏族人民手中搖動(dòng)的轉(zhuǎn)經(jīng)筒叫做“手搖嘛呢輪”，如圖2所示. 嘛呢輪以金、銀、銅等為材質(zhì)，主體呈圓柱形，圍繞中間的一個(gè)軸來(lái)旋轉(zhuǎn).圓柱上刻有藏傳佛教的六字真言.每轉(zhuǎn)一輪都相當(dāng)于背誦一篇經(jīng)文.每次轉(zhuǎn)到一定的周期，都要更新，這樣便能知道轉(zhuǎn)了的圈數(shù).

“嘛呢輪”大部分藏族學(xué)生都較為熟悉，其中蘊(yùn)含著圓周運(yùn)動(dòng)的物理原理，如果用其分析和講解圓周運(yùn)動(dòng)中“向心力的大小與哪些因素有關(guān)”的內(nèi)容，能使學(xué)生容易掌握該向心力的概念和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.下面我們以嘛呢輪為例開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)資源，講解圓周運(yùn)動(dòng)。

圖1向心力演示器圖2手搖嘛呢輪

通過對(duì)之前教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，我們知道了描述圓周運(yùn)動(dòng)的快慢有兩個(gè)物理量，即線速度v和角速度ω.其中線速度v為物體運(yùn)動(dòng)通過的弧長(zhǎng)與所用時(shí)間的比值來(lái)量度，單位是m·s-1，角速度ω為物體與連線掃過角度的快慢，單位是rad·s-1.

v=Δs/Δt

(1)

ω=Δθ/Δt

(2)

其中弧長(zhǎng)Δs=rΔθ，代入(1)，得

v=rω

(3)

這表明，在圓周運(yùn)動(dòng)中，線速度的大小等于角速度與半徑的乘積.

根據(jù)加速度的定義與式(1)、式(3)聯(lián)立可得向心加速度，單位是m·s-2

(5)

已知向心加速度，再根據(jù)牛頓第二定律可得向心力的表達(dá)式

(6)

我們以“手搖嘛呢輪”的例子來(lái)分析探究小墜子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況，演示旋轉(zhuǎn)嘛呢輪，讓學(xué)生分組討論其受力和運(yùn)動(dòng)情況.這樣會(huì)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這種運(yùn)動(dòng)結(jié)果是受到重力、拉力和向心力的結(jié)果.

向心力是個(gè)效果力，實(shí)際上，它只受重力和繩的拉力(忽略阻力)，這兩個(gè)力的合力起到了向心力的作用.然而，轉(zhuǎn)動(dòng)“嘛呢輪”的時(shí)候，向心力僅僅是拉力的一個(gè)分力，其受力分析如圖3所示.小墜子對(duì)圓筒的拉力，F(xiàn)τ為拉力的切線方向上的分力，F(xiàn)n就是指向圓心的分力，即向心力.r為細(xì)繩的長(zhǎng)度，也就是“經(jīng)筒”起初做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑.

旋轉(zhuǎn)過程中，速度越快，r越大，這時(shí)墜子運(yùn)動(dòng)的圓周平面就越偏上.速度越慢，r越短，墜子運(yùn)動(dòng)的圓周平面就越偏下.

我們可以通過改變珊瑚墜子的長(zhǎng)度、珊瑚的質(zhì)量以及改變轉(zhuǎn)速，分析“嘛呢輪”所受向心力以及與向心力有關(guān)的因素，向心力的大小等.如果給定墜子懸繩長(zhǎng)度r，珊瑚的質(zhì)量m、“嘛呢輪”轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速ω，我們討論這三個(gè)物理量和向心力之間的關(guān)系.如果我們改變其中一個(gè)物理量，“嘛呢輪”所受向心力會(huì)有怎樣的改變？可以設(shè)定如下的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟.

圖3 轉(zhuǎn)經(jīng)筒受力分析圖

1) 增加或減小旋轉(zhuǎn)角速度，定性觀察向心力是增大還是減小.

2) 改變半徑r，使角速度恒定，觀察向心力如何變化.

3) 改變珊瑚球的質(zhì)量m，保持半徑r和角速度ω不變，向心力又如何變化.

通過實(shí)驗(yàn)就可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：向心力Fn的大小與物體的質(zhì)量m、半徑r和角速度ω都有關(guān).

1) 當(dāng)半徑和角速度恒定時(shí)，質(zhì)量越大，所需的向心力就越大.

2) 向心力的大小與轉(zhuǎn)速有關(guān)，角速度越大，向心力也越大.

3) 當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，運(yùn)動(dòng)半徑越小，“嘛呢輪”所需的向心力就越小.

做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，為了安全起見，用一根結(jié)實(shí)的細(xì)繩吊珊瑚球，避免轉(zhuǎn)動(dòng)過程中細(xì)線中斷而珊瑚球甩出去，碰到人或其他物體.

學(xué)有余力的同學(xué)，還可以拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.調(diào)節(jié)小墜子的線長(zhǎng)為50 cm，握住手柄，并盡量使圓筒和小墜子在一個(gè)水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng).此時(shí)圓筒和經(jīng)書成為珊瑚錐子圓周運(yùn)動(dòng)的向心力.記錄圓筒和墜子保持均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率.調(diào)節(jié)水平部分線的長(zhǎng)度，使旋轉(zhuǎn)半徑先增加1/2倍，然后再減小1/2，分別算出使小墜子仍能做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率.看頻率的增減與旋轉(zhuǎn)半徑的變化相同還是相反？是否成正比？

1.2 利用耱探究壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)資源

圖4 耱的實(shí)物圖

耱是一種農(nóng)具，藏語(yǔ)叫做夏相，實(shí)物如圖4所示.由手指粗細(xì)的樹枝組成，用來(lái)打磨耕地，使地面土塊變得更細(xì)碎[6].春季澆灌農(nóng)田后，藏區(qū)農(nóng)民在耕種前用它來(lái)打平土地并保存土壤水分.當(dāng)使用時(shí)，把它平放在一塊耕地上，以騾、馬、牛工具向前拉，操作者站在上面，或在上面放石頭以增加土壤表面的壓力.

壓強(qiáng)是中學(xué)力學(xué)部分的重要內(nèi)容，主要講述壓強(qiáng)的概念，壓強(qiáng)的大小跟哪些因素有關(guān)，增大與減少壓強(qiáng)的主要方法，這也是以后學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)與氣體壓強(qiáng)的基礎(chǔ)，在生產(chǎn)和生活實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用.下面我們以耱?yàn)槔骄坑绊憠毫ψ饔眯Ч囊蛩?其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：

1) 在相同的受力面積情況下，觀察不同壓力的耱?qū)溙锉粔合碌纳顪\程度，進(jìn)而來(lái)判斷壓力的作用效果跟壓力大小的關(guān)系.

2) 在相同壓力情況下，不同受力面積的耱?qū)ν粮泶窕蛞黄恋乇粩D壓而發(fā)生形變的程度或破壞(輾碎)程度，來(lái)判斷壓力的作用效果跟受力面積的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)步驟：①如圖5中的圖甲和乙所示，在受力面積相同的情況下，研究壓力與壓力的作用效果的關(guān)系.如圖甲所示，把耱放在一壟土疙瘩上，觀察壓力的作用效果，即土疙瘩被壓碎程度.如圖乙所示，在耱上放幾個(gè)磚頭，觀察此時(shí)土疙瘩壓碎程度并與圖甲的輾碎情況對(duì)比.②如圖甲和圖丙所示，在壓力相同的情況下，研究壓力的受力面積與壓力的作用效果的關(guān)系.如圖丙所示，將耱放在土地上，觀察此時(shí)耱陷入土地的深度或壓碎程度，并與圖甲的情況對(duì)比.

(甲)空耱壓在單個(gè)土塊上 (甲)磚塊壓在耱上 (丙)耱壓在一片細(xì)土

圖5影響壓力作用效果圖

1) 比較壓力相同時(shí)，一小土塊所受到的壓強(qiáng)效果明顯還是一片土地上的壓強(qiáng)效果明顯？

2) 受力面積一定的時(shí)候，耱上放一塊石頭所受的壓強(qiáng)效果明顯還是不放石頭時(shí)的壓強(qiáng)效果明顯？

設(shè)耱重為G耱，一片土地的受力面積為S土地，土疙瘩的面積為S土疙瘩.由表1可以看到，在相同的受力面積下，壓力越大，土疙瘩被壓碎的效果就越明顯.在相同的壓力下，壓力的受力面積較小，壓力的影響更為明顯.

表1壓力作用數(shù)據(jù)表

由該實(shí)驗(yàn)我們可以得出，壓力的作用效果與壓力的受力面積有關(guān).受力面積一定時(shí)，壓力越大，壓力作用效果越顯著，壓力一定時(shí)，受力面積越小，壓力的作用效果越顯著.

該實(shí)驗(yàn)取材方便、安全性好、操作簡(jiǎn)單、容易激發(fā)學(xué)生的興趣.

通過壓強(qiáng)與壓力的關(guān)系，我們分析在牧區(qū)扎帳篷的時(shí)候，木釘嘴尖的部位朝下插的時(shí)候，就能很輕松地戳進(jìn)去，而木釘翻過來(lái)插的時(shí)候，怎么插都插不進(jìn)去.因?yàn)槟踞數(shù)淖旌芗猓馕吨芰γ娣e小，壓強(qiáng)大，很容易插進(jìn)去.翻過來(lái)插的時(shí)候，受力面積變大了，壓強(qiáng)小，很難插進(jìn)去.所以通常牧民們會(huì)把制作木釘?shù)臅r(shí)候，釘子口做的很尖.還有一種情況是，木釘往下壓的過程中，讓一個(gè)小孩和大人來(lái)壓，壓的深淺不同，因?yàn)樾『Ⅲw重明顯比大人輕，所以壓的程度也沒有大人的深.這說(shuō)明受力面積相同的時(shí)候，壓力越大，壓力作用效果越明顯，即壓強(qiáng)越大.

1.3 利用牛皮船開發(fā)浮力教學(xué)資源

教學(xué)過程中當(dāng)遇到實(shí)際問題給學(xué)生講解時(shí)，教師應(yīng)該結(jié)合實(shí)際問題設(shè)計(jì)案例，鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，可提高學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)探究問題的能力.在八年級(jí)學(xué)生中，學(xué)習(xí)探究影響浮力的因素，我們可以通過分析牛皮船的物理原理來(lái)開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源.

牛皮船是藏族人民長(zhǎng)期生活經(jīng)驗(yàn)的智慧結(jié)晶，船體采用堅(jiān)硬而有彈性的樹木做骨架，把牦牛皮泡在水里，待皮上的毛全部撥掉后、將四張牛皮并對(duì)縫起來(lái).趁牛皮濕時(shí)，將其包在骨架上，用牛皮繩子捆緊繃好；曬干、擦油定型后，用牛油、羊油堵住縫口，使之密封避免進(jìn)水[7].牛皮船呈梯形，實(shí)物圖如見圖6.

圖6 牛皮船實(shí)物圖

在桑耶寺壁畫中，早期吐蕃牛皮船是一艘圓形的圓底船，船內(nèi)只容納三四個(gè)人.近代牛皮船為梯形船，比早期牛皮船大一倍，船內(nèi)可容納七八個(gè)人[8].牛皮船上載的人和裝的貨物都比水重，但裝了那么多東西的船為什么卻不會(huì)沉底？通過這個(gè)生活實(shí)例給學(xué)生講解“物體在液體中受到的浮力等于物體排開液體的重力”，即

F浮=G液排=ρ液gV排

我們使用一個(gè)小鐵球，把它放在水上，它就立刻沉下去了.如果我們把這塊鐵球裝入牛皮船內(nèi)，再放到水上，雖然重力沒有變，但它卻能漂浮在水面上.而且即使往牛皮船里加點(diǎn)貨物，牛皮船也只是下沉一點(diǎn)點(diǎn)，但仍能漂浮在水面上.這是由于牛皮底部受到水的壓力，即豎直向上的浮力造成的.當(dāng)浮力等于貨物的重力時(shí)，船被支承在水面上，浮力隨著排開液體的重力的增加和物體底部面積的增加而增加.

圖7 牛皮船的受力圖

牛皮船底部面積越大，牛皮船排開水的重力就越大，它所受的浮力也就越大，即使牛皮船裝載了大量貨物，也不會(huì)沉到底部.

我們可以拓展分析，圖6所示的牛皮船中，上下寬分別為1.5 m和1 m ，假設(shè)一個(gè)成年男子體重為75 kg，試推算出該船最多能乘坐幾個(gè)人？

分析牛皮船的受力如圖7所示，如果船的上下底的寬分別為b和a，則水的密度

ρ水=1.0×103kg/m3

代入數(shù)據(jù)，得

S=(1+1.5)×2/2=2.5m2船在水中的體積

V=S·h=2.5×1=2.5×1=2.5m3

則排開水的質(zhì)量

m=ρ·v=1.0×103kg/m3×2.5m3能乘坐的的人數(shù)

N=2.5×103kg/75kg=33(人)

討論：為了安全起見，一般船的吃水深度不能超過0.7m，則排開水的體積

V=S·h=2.5×0.7=1.75m3

能乘坐的的人數(shù)

N=1.75×103kg/75kg=23(人)

通過以上計(jì)算，該牛皮船最多能安全載23人渡河.

2 結(jié)語(yǔ)

從藏族文化生活中開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，能切實(shí)體現(xiàn)物理學(xué)源于生活的理念，為藏族地區(qū)物理課程改革的順利實(shí)施注入生機(jī)和活力，也有利于提高藏族地區(qū)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神并運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)，分析解決實(shí)際問題的能力，從而更加有效地提高學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng).

從物理學(xué)的角度觀察、探索、挖掘與學(xué)生生活息息相關(guān)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程資源，并把自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)資源真正落實(shí)到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生能夠?qū)ξ锢韺W(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并能培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，是課程資源開發(fā)的重要任務(wù).

[1] 教育部.全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn) (實(shí)驗(yàn)稿 )[ M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2001：38.

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