“吊橋模型”教具在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

姚慧賢 李奇云 尹慧萍 洪佳旻

摘 要：結(jié)合我國傳統(tǒng)護(hù)城河吊橋案例，提煉吊橋蘊(yùn)含的物理原理，完成低成本、高質(zhì)量、多功能的“吊橋模型”教具開發(fā).從物理學(xué)科核心素養(yǎng)角度出發(fā)，教師利用生活常見物品來制作“吊橋模型”教具，通過同一教具分析控制變量實(shí)驗，直觀展示“力的三要素”“杠桿原理”“力的合成與分解”等規(guī)律，開發(fā)學(xué)生動手動腦能力，用科學(xué)探究活動培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，形成物理觀念，同時幫助學(xué)生了解中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，提高文化歸屬感和認(rèn)同感，加強(qiáng)愛國主義教育，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展.

關(guān)鍵詞：自制教具;力的三要素;杠桿原理;物理學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）12-0031-03

在中學(xué)物理教學(xué)中，觀察現(xiàn)象、進(jìn)行演示和探究實(shí)驗，是理解物理概念和規(guī)律的必要基礎(chǔ)，具有不可代替的重要作用.而教師具有一套得心應(yīng)手的教具是準(zhǔn)確完成實(shí)驗教學(xué)的前提，由于物理教具價格較高且易損耗，不少學(xué)校的實(shí)驗設(shè)備難以滿足新課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)要求，不利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的核心素養(yǎng).因此，許多學(xué)者建議利用日常物品開發(fā)低成本、高質(zhì)量的自制教具.此外，自制教具往往僅具有針對某個知識點(diǎn)的單一功能，適用性窄，效率較低.針對現(xiàn)狀，筆者研制一款簡單而高效的多功能自制教具，并開發(fā)其物理教學(xué)應(yīng)用.

1 “吊橋模型”教具的制作

力學(xué)內(nèi)容是物理學(xué)的重要組成部分，亦是初高中物理教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容，為結(jié)合課堂演示實(shí)驗，幫助學(xué)生奠定堅實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)，筆者研制“吊橋模型”教具.

吊橋是我國古代橋梁中一種因地制宜的特色橋梁，其構(gòu)造簡單，歷史悠久，在古代城池攻防、日常交通及文化交流中起到重要作用.在具有深厚歷史文化內(nèi)涵的同時，吊橋亦極具物理教學(xué)開發(fā)潛力，其蘊(yùn)含的物理原理極多，例如力的三要素、力的合成與分解、杠桿原理等等.

參考唐朝古代吊橋（如圖1所示），筆者自制多功能 “吊橋模型”教具（如圖2所示）.該教具組成清單見表1，主要材料為木板等，簡單易取，提高物料再回收利用價值，符合“STSE”教育理念.

在該教具中，為了降低摩擦力及橋面輕質(zhì)板重力的影響，需要在滑輪及轉(zhuǎn)軸位置涂抹潤滑油，且保證橋面材料的輕質(zhì).

2 “吊橋模型”教具在“力的三要素”教學(xué)中的應(yīng)用

力的三要素是中學(xué)物理中基礎(chǔ)且重要的力學(xué)知識，為幫助學(xué)生直觀地感受力的三要素，我們利用“吊橋模型”教具完成探究實(shí)驗及教學(xué)設(shè)計，并進(jìn)行如下教學(xué)實(shí)踐.

教學(xué)導(dǎo)入及提問：我國古代大城池往往會開挖護(hù)城河保護(hù)城池安全，并布置吊橋以方便日常交通，而吊橋的開閉與其受力息息相關(guān).請同學(xué)們首先結(jié)合吊橋教具思考一下，哪些因素會影響吊橋的開閉？怎樣通過實(shí)驗證明這些影響因素是否正確？

學(xué)生思考：影響吊橋開閉的要素有哪些？怎樣通過教具科學(xué)合理地驗證每一個因素？

實(shí)驗探究：模擬古代吊橋，我們利用“吊橋模型”教具進(jìn)行對比實(shí)驗，如圖3所示，實(shí)驗中為了保持輕質(zhì)板靜止，應(yīng)在A點(diǎn)及細(xì)繩末端均放置一個砝碼.

實(shí)驗1：力的大小對作用效果的影響.在原本靜止的吊橋上，往細(xì)繩末端增加砝碼，從而改變輕質(zhì)板受力的大小.觀察輕質(zhì)板的運(yùn)動情況，可以發(fā)現(xiàn)原本靜止的輕質(zhì)板運(yùn)動起來.

實(shí)驗2：力的方向?qū)ψ饔眯Ч挠绊?在實(shí)驗1的基礎(chǔ)上，通過將橫梁位置由C移至D，調(diào)整細(xì)繩對輕質(zhì)板的施力角度.觀察輕質(zhì)板的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗1能運(yùn)動的輕質(zhì)板，在細(xì)繩角度變小后靜止不動.

實(shí)驗3：力的作用點(diǎn)實(shí)驗.在實(shí)驗2的基礎(chǔ)上，通過將砝碼的位置由A移動到B，改變力對輕質(zhì)板的作用點(diǎn).觀察輕質(zhì)板的狀態(tài)，又可以發(fā)現(xiàn)原本靜止的輕質(zhì)板，在移動砝碼后又運(yùn)動起來.

歸納總結(jié)：上述實(shí)驗的結(jié)果見表2，可見，力的大小、方向、作用點(diǎn)都能影響力的作用效果（即吊橋的開閉），在物理學(xué)中，把力的大小、方向、作用點(diǎn)統(tǒng)稱為力的三要素.

鞏固提問：假如只進(jìn)行實(shí)驗1與實(shí)驗3，能否驗證“作用點(diǎn)會影響力的作用效果”？

設(shè)計意圖：通過“吊橋模型”教具及力學(xué)建模分析，完成“力的三要素”這一物理概念教學(xué);通過控制單一變量的“吊橋”對照實(shí)驗，幫助學(xué)生們直觀地分析力的作用效果的影響因素，培養(yǎng)學(xué)生探究物理現(xiàn)象的科學(xué)思維，以及運(yùn)用實(shí)驗手段分析問題的科學(xué)探究能力;通過鞏固提問，讓學(xué)生明白科學(xué)探究方法，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維習(xí)慣，提醒學(xué)生在科學(xué)探究過程中秉持科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

3 “吊橋模型”教具在杠桿原理教學(xué)中的應(yīng)用

杠桿原理（動力×動力臂=阻力×阻力臂）是力學(xué)中的又一重要內(nèi)容，且與日常生活、生產(chǎn)密切相關(guān).力臂是該節(jié)內(nèi)容的難點(diǎn)，常見教學(xué)模型，例如秤、火鉗等，其“動力臂及阻力臂”往往是“力的作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離”，這往往會導(dǎo)致學(xué)生形成“距離即是力臂”的錯覺，錯誤的前概念通常不利于學(xué)生后續(xù)的力學(xué)學(xué)習(xí).而“吊橋”是一個典型的杠桿，教師在實(shí)際教學(xué)中可利用其突破這一教學(xué)難點(diǎn).

此外，在前面力的三要素教學(xué)中，難免會有學(xué)生思考“實(shí)驗1、2、3的運(yùn)動狀態(tài)在什么條件下剛好會發(fā)生改變”，這恰恰是杠桿原理的妙用.由此，我們結(jié)合“力的三要素”的3個實(shí)驗，完成如下針對杠桿原理的教學(xué)設(shè)計.

教學(xué)導(dǎo)入及提問：完成力的三要素中涉及的3個實(shí)驗，詢問學(xué)生，當(dāng)杠桿（橋面板ABO）剛好運(yùn)動或剛好靜止時，支點(diǎn)、動力臂及阻力臂如何表示？

建模分析：在剛好運(yùn)動或剛好靜止時，底座對橋面板ABO未提供支持力，因此橋面板ABO僅受細(xì)繩拉力、A處壓力作用及支點(diǎn)O的水平支撐力（但該水平力相對O點(diǎn)的力臂為0），故如圖4所示，3個實(shí)驗中，支點(diǎn)均為O，阻力臂均為LOA，阻力為A處重物的重力GA，動力臂為LOE，動力為繩索拉力G砝（即所吊砝碼所受的重力）.

教師提問：在三個實(shí)驗中，已知B為AO中點(diǎn)，A處重物與單個砝碼質(zhì)量相等，且忽略橋面板ABO的重力及滑輪等的摩擦力，則當(dāng)橋面板ABO剛好靜止或剛好運(yùn)動時，木板上的砝碼及繩索牽引的砝碼需要滿足什么條件，如何利用杠桿原理進(jìn)行計算？

計算分析：當(dāng)橋面板ABO剛好靜止或運(yùn)動時，吊橋杠桿原理成立，則G砝LOE=GALOA，變式即G砝=GALOALOE.分析可知，在吊橋中，當(dāng)動力×動力臂>阻力×阻力臂，即G砝>GALOALOE時，系統(tǒng)將運(yùn)動，反之系統(tǒng)靜止.故各個實(shí)驗下，當(dāng)“實(shí)際動力值>臨界動力值”時系統(tǒng)將運(yùn)動，實(shí)驗分析見表3.

設(shè)計意圖：教師利用同一教具及同樣實(shí)驗，充分發(fā)揮“吊橋”教具的多功能性.首先通過演示吊橋教具在“力的三要素”應(yīng)用中涉及的3個對照實(shí)驗，用建模分析幫助學(xué)生理解何為力臂，激發(fā)學(xué)生對杠桿原理求知欲;然后利用杠桿原理分析教具臨界狀態(tài)時的受力，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)象進(jìn)行對比分析及原因探究，加深學(xué)生對“杠桿原理”的理解，激勵學(xué)生主動探究日常生活中的物理原理，逐步培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的物理觀念.

4 “吊橋模型”教具在力的合成與分解中的應(yīng)用

在中學(xué)物理課堂上，很少通過實(shí)驗闡釋力的合成與分解法則，而本文設(shè)計的吊橋教具，在滿足前述教學(xué)要求的同時，如圖5所示，在細(xì)繩末端加一彈簧測力計，還能很好驗證力的合成與分解法則.同樣，為增強(qiáng)教學(xué)效果，教師仍可參考前面力的三要素教學(xué)中的實(shí)驗1及實(shí)驗2，利用力的合成與分解分析橋面板ABO的平衡情況.此時，還可與杠桿原理互相對比，達(dá)到“一題多解”的效果，幫助學(xué)生對物理知識點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，最終融會貫通.

教學(xué)導(dǎo)入及提問：利用優(yōu)化后的教具完成力的三要素中的實(shí)驗1及實(shí)驗2，向?qū)W生提出問題：當(dāng)橋面板ABO剛好運(yùn)動或剛好靜止時，彈簧測力計讀數(shù)如何？橋面板受力情況如何？

演示實(shí)驗：拉扯彈簧測力計，觀察在實(shí)驗1及實(shí)驗2中，橋面板剛好運(yùn)動或靜止時，彈簧測力計的讀數(shù).

受力分析：在剛好運(yùn)動或剛好靜止時，底座對橋面板ABO未提供支持力，因此僅受細(xì)繩拉力、A處重力作用及支點(diǎn)O的水平支撐力.如圖6所示，對O點(diǎn)進(jìn)行建模分析.

設(shè)細(xì)繩與水平方向的夾角為θ，則在水平方向上，F(xiàn)OA=F彈簧cosθ，在豎直方向上，GA=F彈簧sinθ，因此當(dāng)系統(tǒng)剛好靜止時，F(xiàn)彈簧=GAsinθ，若F彈簧>GAsinθ，則系統(tǒng)運(yùn)動，反之則靜止.故實(shí)驗1及實(shí)驗2的分析見表4，并由此驗證力的合成與分解法則.

設(shè)計意圖：教師用實(shí)驗的方式科學(xué)驗證物理原理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.首先通過演示吊橋教具的2個實(shí)驗，從彈簧測力計得到實(shí)驗值;然后從力的合成與分解角度，用建模分析幫助學(xué)生理解力的合成與分解并獲得計算值;最后對比實(shí)驗值及計算值，驗證力的合成與分解法則.此外，還可對比杠桿原理的分析結(jié)果，開闊學(xué)生解決物理問題的思路，達(dá)到知識點(diǎn)的融會貫通及交叉.

5 總結(jié)與反思

筆者參考我國古代吊橋制作多功能性的吊橋教具，以課堂實(shí)驗作為探究方法，并強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行鞏固反思，從而完成教具用于力的三要素、杠桿原理及力的合成與分解的教學(xué)設(shè)計，具有可觀的教學(xué)價值.在教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師通過直觀的探究實(shí)驗及演示實(shí)驗，引導(dǎo)學(xué)生了解基本的物理概念;運(yùn)用“控制變量實(shí)驗”“建模力學(xué)分析”等科學(xué)研究方式分析力學(xué)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)研究方法;利用簡單易取、回收再利用價值高的物料進(jìn)行教具制作，不僅方便可行，學(xué)生再模仿、創(chuàng)作的可實(shí)現(xiàn)性高，同時引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注、愛護(hù)環(huán)境，提高學(xué)生的環(huán)保意識，符合“STSE”教育理念;引入富有歷史底蘊(yùn)的吊橋教具不僅增添物理課堂的魅力，達(dá)到培養(yǎng)核心素養(yǎng)的目的，也提高學(xué)生的歷史認(rèn)同、人文素養(yǎng)等綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展.

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（收稿日期：2021-02-13）