本源教學 識物明理

策劃人：方觀生

本期欄目主持人：熊宏華

策劃人語：“物理定律不能單靠‘思維來獲得，還應致力于觀察和實驗?！驹唇虒W識物明理”的教學理念便致力于做到這樣，其主張讓學生在玩中學、在看中思、在做中悟，有效地打破了學生認為物理學科枯燥又抽象的固有偏見，使學生對身邊諸多物理現(xiàn)象懷揣一顆好奇之心，讓學生玩出智慧、看出門道、悟出真諦。

物理是一門實驗科學，注重觀察和實驗是我們學好物理的重要方法之一。在生活中多觀察、多實驗、多琢磨，你就會發(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

“玩”是大家喜聞樂見的字眼，玩讓人開心、讓人快樂，其實，很多玩的活動蘊含著豐富的物理知識，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

請估算你做俯臥撐的平均功率是多少？

這是一個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。要解決這個問題，學生需要在玩中體會，把俯臥撐運動進行簡化，分解、抽象出相應的物理模型。

如圖1所示，做俯臥撐時，人體可抽象成一個杠桿，結合生活實際對相關物理量賦值，假設人體的體重為50kg，重心在臀部附近，他在1min內做了30個俯臥撐，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、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的，而物理模型的建立離不開抽象思維，如質點模型、點電荷模型、理想氣體模型、彈簧振子模型等，都是理想化的實體模型，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的改變來調控。在許多體育運動項目中，人就是通過對自身重心位置的有效調控來把握動作要領、發(fā)揮較好的成績。例如，跳高的常見姿勢一般有跨越式和背越式，但要想跳出較好的成績必須采用背越式，這是什么原因呢？

跨越式跳高，過桿時人體呈“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，過桿時人體呈弓形，重心O不僅在人體之外，且可在橫桿以下。對某一運動員而言，他能將自己的重心提升的高度是一定的，因而對他來說，跳高時采用背越式肯定比采用跨越式跳得高些，從兩種姿勢的對比圖示中不難看出，在重心等高的情況下，背越式跳過的高度明顯大于跨越式。當然，身體的柔韌性越強，將身體彎曲得越厲害，重心就下移得越多，成績就越好，這就是跳高時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，簡單明了，通過將過桿時“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)勢就顯而易見了，這里的“重心”可謂點睛之作。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、渦流現(xiàn)象時，教師將一匝接有LED燈的封閉線圈往一個光禿禿的盒子上一放，學生眼前一亮，燈著了，全場人的眼球一下被吸引過來，掀開盒子，里面露出的是一個電磁爐，掀開電磁爐臺板，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，為增強學生的感性認知，教師用了幾個半徑不同、均連有發(fā)光二極管的單匝圓形線圈由內至外呈同心圓狀平鋪在電磁爐的臺板上，接通電源，二極管便閃閃發(fā)光。依據實情實景，教師引導學生分析，慢慢認識了渦流：當線圈越加越多，到密不可分時，就會構成一個平面，將這些平面層疊起來，就對應一整塊導體。一圈一圈的感應電流就像旋渦一樣，這種產生在整塊導體內部的感應電流稱為渦流。（PPT展示渦流的動態(tài)圖示）

細心的學生會發(fā)現(xiàn)，教師在做“隔空點燈”和“渦流顯形”的演示時，電磁爐臺板的中央總是放置一個鋁質的盛水小杯，這里面有什么奧秘呢？只見教師撤掉小杯，單獨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、滴的報警聲，無法正常工作。教師解釋說，電磁爐里面有一個啟動識別電路，只有達到相應的“有效載荷”才會啟動工作，否則它就罷工，將鋁質的盛水小杯放在其中，電磁爐才會識別啟動?？磥斫處熥鲅菔緦嶒灳拖衲g師變魔術一樣，不僅要讓觀眾知其然，還要讓觀眾知其所以然！

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

二、看中思

面對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)象與社會現(xiàn)象，還會察覺現(xiàn)象背后的物理。

（一）看實物

水銀體溫計是最常用的人體體溫測量工具，它操作簡便，測量精度高，是每個家庭保健箱中的必備用品，體溫計中的水銀液柱很細，細到有時讀數時都不易察覺，但轉過一個合適的角度常常會看到一個又粗又亮的“水銀柱”，這其中有什么奧妙呢？

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

可以說，水銀柱既處于凹面鏡的焦點又處在凸透鏡焦距以內，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，當觀察者正對刻度線讀數時，便會看到很粗很亮的“水銀柱”，這其實是又細又不起眼的水銀柱所成的放大而扮亮的虛像。 這大概是每個人都會遇到的原始情景了，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，演員正在進行雜技表演。由圖可估算出他將一只雞蛋拋出的過程中對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，除構建出上述物理模型外，雞蛋上拋的最大高度和雞蛋質量的賦值也顯得尤為重要。除依據生活經驗估計雞蛋的質量外，還要依據圖示細節(jié)估計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，最高點與人的嘴巴齊平，這個高度大約是0.5m，雞蛋的質量大概是0.05kg，根據動能定律可求得他將一只雞蛋拋出的過程中對雞蛋所做的功最接近于答案A。

江西省特級教師黃恕伯對本題進行了經典評價，他認為估計雞蛋的質量，是否屬于物理課應該掌握的內容？根據圖示細節(jié)估計雞蛋上拋的最大高度是否屬于物理課應該掌握的內容？答案是肯定的，因為它們跟三維目標、物理學科核心素養(yǎng)導向密切相關，它源于生活，所涉及的知識是高中的核心知識，是一道體現(xiàn)新課程理念的好題。

（三）看情景

曲線運動方向是曲線運動的一個教學難點，人教版教材引入飛鏢突破這個難點，效果還是不錯的。

類似的實踐情境還有噴氣式飛機機身軸線的指向，跟飛機噴出氣體所形成的運動軌跡相切。汽車照亮前方道路的光束，跟汽車運動的軌跡相切。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，車前照明燈的光束跟平直的道路很吻合。當該車轉彎時，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、后輪連線中點的運動軌跡

D.條件不夠，無法確定

我們將這道題拿到基礎較好的實驗班進行測試，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生很少，這說明當下學生的原始問題自覺意識非常淡薄，尤其是選C的學生幾乎沒有這種意識。

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;藍車車前燈光束跟后輪的軌跡相切;而紅車就另當別論了，轉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才是對的。

（四）看現(xiàn)象

如圖4，當磁極移近或遠離鋁環(huán)會產生什么現(xiàn)象？這是人教版3-2楞次定律后的一道習題。有人主觀地認為當磁極移近或遠離封閉的A環(huán)時，才會發(fā)生“來拒去留”的現(xiàn)象，真正做實驗才會發(fā)現(xiàn)：不論磁極移近或遠離哪個環(huán)，均會發(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“小動作”歸結為氣流的擾動，其實不然，當在條形磁鐵的一端增加小強磁塊（其他條件不變）做比較實驗便不難看出，隨著磁極磁性的增強，B環(huán)的“小動作”會越來越大。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“小動作”僅僅是環(huán)體渦流所致。

俗話說：外行看熱鬧，內行看門道，這物理學中看的可都是門道呀！

三、做中悟

“做”是一個漢字詞語，由沒有到存在之間的過程，做就是創(chuàng)造，做對于學好物理太重要了，物理是一門實驗科學，必須親自參與到物理過程中才會悟出真諦來。

（一）做游戲

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

在上自感課，引入新課時教師請了幾位學生上講臺參與如圖所示的實驗：合上開關，參與的學生沒感覺，可斷開開關時參與同學確有明顯觸電的感覺，這種“反?！钡默F(xiàn)象立刻引起全班學生的高度關注，新課的學習就這樣圍繞破解“反?！北澈蟮男C展開，收到良好效果。

新課《平拋運動》的引入是從“圓圈套公仔”的游戲開始的，2020年是豬年，教師特意準備了幾個“小豬佩奇”的公仔讓學生上講臺套，誰套著了，公仔就獎給誰，學生都來了興致，課堂一下熱鬧起來。一看就是個有門道的技術活兒，有學生三兩下就套中了，有的怎么也套不著。

教師發(fā)話了：“估計大家都有過做這種游戲的經歷，想想看，這圓圈拋出時都有什么講究？”教師邊說邊隨機給幾個學生發(fā)放圓圈讓學生在體驗中感悟，學生單臂伸開手拿圓圈在水平面內小角度的轉動圓圈做拋出狀。

“水平拋出！”幾個學生幾乎是異口同聲回答。

“對了，是平拋！那么要想提高套公仔的成功率有什么竅門兒？這與物理學中的什么運動有關？”教師邊說邊板書新授課題：平拋運動。

（二）做驗證

氣泡向前移動？

面對如圖所示的裝置，教師發(fā)出了這樣的疑問：做勻速直線運動的小車上水平放置一密閉的裝有水的瓶子，瓶內有一氣泡，當小車突然停止運動時，氣泡相對于瓶子怎樣運動？

這個十分具體的情景問題很快吸引了大部分學生的注意力，不少學生脫口而出：“氣泡向前運動！”教師問：“氣泡為什么會向前運動？” 學生回答：“由于慣性?！薄皻馀菹鄬τ谄孔诱娴南蚯斑\動？”學生疑惑、沉默……這時，筆者引導學生探究、討論：“瓶子中有幾種狀態(tài)的物質？”“哪種狀態(tài)的物質質量大？”“質量大的物質意味著什么？”“慣性大的物質又意味著什么？”

一個接一個切中學生思維脈搏的問題引發(fā)了學生熱烈的討論，通過一番爭論與辨析逐步達成共識（思維的共鳴）。

此題涉及的研究對象不僅是氣泡，還有水。由于慣性的大小與質量有關，而水的質量遠大于氣泡質量，因此水的慣性遠大于氣泡的慣性，當小車突然停止時，水保持向前運動的趨勢遠大于氣泡向前運動的趨勢。當水相對于瓶子向前運動時，水將擠壓氣泡，使氣泡相對于瓶子向后運動。

接下來的演示印證了師生的共識。

對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生對牛頓第一定律的理解。對培養(yǎng)學生縝密的思維品質無疑會起到積極作用。

水會噴出來？

上“超重和失重”課時，討論了超重現(xiàn)象后，教師就開始涉及完全失重現(xiàn)象，為讓學生得到充分的感性認識，教師演示了這樣的實驗：將一個裝滿水的開口飲料瓶，底部鉆孔，水便從底部噴出，當他松開手讓瓶子自由下落時，學生驚奇地看到：瓶在下降過程中，水不再從孔中噴出。教師引導學生逐步分析，瓶子做自由落體運動，只受重力作用，同樣瓶中的水也是做自由落體運動，只受重力作用，這說明水與瓶體間沒相互擠壓的力，所以水不會從孔中噴出。

教師并沒有就此對完全失重現(xiàn)象做出理論上的結論，而是不失時機地引導學生猜想：如果將瓶子豎直上拋，水會從孔中噴出嗎？大部分學生認為水會從孔中噴出，甚至認為上拋時水會比靜置時噴得更遠，只有少數學生持懷疑態(tài)度，在這種情況下，幾個學生主動上臺相互商議、協(xié)作，進行了探究式的實驗演示，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，無論往哪個角度拋出瓶子，水均不會從孔中噴出。通過引導學生分析對比拋體運動和自由落體運動的異同，使大家意識到，只要水瓶僅受重力作用，水就不會噴出，與水瓶的運動方向、速度大小無關，然后，教師以完全失重現(xiàn)象為突破口，從特殊到一般，結合生活中的實例討論、分析，使學生對失重這一現(xiàn)象有了比較深刻的認識。

（三）做實驗

懸停的直升機

在講物體的平衡時，教師讓玩具遙控直升機懸停在講臺的上方，引導學生分析：飛機在空中處于平衡狀態(tài)的奧妙何在？飛機受力情況如何？與重力平衡的力何以產生？活靈活現(xiàn)的生活情景，現(xiàn)實具體的物理問題幾乎觸動了所有學生的神經，引發(fā)強烈的思維碰撞，有效加深了學生對受力分析、牛頓第三定律內涵的深入理解。

矛盾的摩擦力

在“研究摩擦力”的課堂教學中，教師引導學生分析了行駛中的汽車輪（后輪驅動）所受摩擦力的情況，通過多方啟發(fā)費了很大周折才勉強得出結論：汽車在行駛時，前輪受到的摩擦力向后，后輪受到的摩擦力向前。這時有位同學站起來不解地說：“老師，依照這個結論，汽車前、后輪受到的摩擦力不是相互矛盾嗎？”“對，你說得沒錯，汽車后輪受到的摩擦力對汽車來說是驅動力，汽車前輪受到的摩擦力對汽車來說是阻力?！笨粗鴮W生似懂非懂的神情，教師明白，學生對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，提前學習了牛頓第三定律。教師擺出了如圖5所示的實驗裝置，看著講臺上的這套裝置，學生瞪大了眼睛。當教師用遙控器啟動電動小汽車時，讓學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。如何解釋這一實驗現(xiàn)象呢？教師要求學生結合剛剛學習的牛頓第三定律，自己找原因，得結論。學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，依據兩板的運動方向就可應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。教師又不失時機進一步指出，汽車前、后輪所受的摩擦力產生的效果雖然是矛盾、對立的，但又是統(tǒng)一的：當前、后輪所受摩擦力大小相等時，汽車勻速前進，當后輪所受摩擦力大于前輪所受的摩擦力時，汽車加速前進。

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

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、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……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：這就是物理教學的本源！