從中國古典著作中提煉原始物理問題

沈 麗 鄔雨陽 王 強(qiáng)

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 引言

早在幾千年前，中國古典著作中就出現(xiàn)了關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動的認(rèn)識，蘊(yùn)含著豐富的物理知識。這些物理知識與日常生活息息相關(guān)，它源于當(dāng)時(shí)人們對自然的觀察，并受限于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)水平。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》要求中學(xué)物理教學(xué)注重探究、注重學(xué)科滲透、關(guān)注社會、貼近生活，要求學(xué)生形成物理觀念，具有模型建構(gòu)的能力。原始物理問題教學(xué)為核心素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，提供了切實(shí)有效的途徑。[1-3]基于中國古典著作中所蘊(yùn)含物理知識的豐富性、原始性和生活化，筆者嘗試從中提煉原始物理問題，從而引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理概念、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律。

2 從中國古文化中提煉原始物理問題

2.1 “浮力”原始問題教學(xué)

在中國第一個(gè)揭示浮力原理的是墨子，比阿基米德早百余年?！赌?jīng)》中有以下描述：“荊之大，其沈淺也，說在衡。”“荊之衡也，則沈淺，非荊淺也。若易五之一?！薄扒G”即“形”，指物體，“沈”即“沉”。第一部分的釋義是：形狀大的物體，其沉入水中的部分卻淺，關(guān)鍵在于物體所受的重力與浮力相平衡。第二部分的釋義是：把物體放入水中，它可漂浮于水上，不一定是它淺薄才會如此。物體所受重力與浮力關(guān)系就如同市場上五件商品與一件商品的等價(jià)交換?？梢钥闯?，我國古人對于沉浮原理已有了初步的了解：物體所受的重力與所受的浮力相平衡，浮力與物體的大小(即體積)無關(guān)，但是未完全揭示出物體所受浮力大小與排水體積的關(guān)系。

基于以上原始素材和釋義，我們可以提出如下原始物理問題：試舉例說明物體所受浮力大小與排水體積的關(guān)系。按照原始物理問題教學(xué)的流程，首先將原始問題進(jìn)行抽象表征，將物體看作是質(zhì)量分布均勻的長方體，認(rèn)為其只受重力和浮力的作用，忽略其他力的作用；其次利用理想模型法建構(gòu)物理模型，即浮在水面上的一個(gè)受力平衡的長方體；再對其進(jìn)行賦值表征，設(shè)長方體的長為a、寬為b、浸沒在水中的深度為h1，增加載重后浸沒在水中的深度為h2；聯(lián)想到現(xiàn)代生活中大型輪船漂浮在水面上的物理情境，并由此編制出相關(guān)物理習(xí)題；通過具體計(jì)算，最后得出結(jié)論(物理表征)：在體積不變的情況下，物體越重，排水體積越大，所受浮力越大。以上過程體現(xiàn)了原始物理問題教學(xué)的基本流程(圖1)。

圖1

習(xí)題：一艘觀光輪船在長江上空載行駛，船體吃水深度為4米，當(dāng)載滿游客時(shí)船體吃水深度為6米。假設(shè)船身為長方體，船長50米，寬為8米。則在上述兩種情況下，輪船所受浮力分別為多少？

在本題中，輪船的體積不變，通過船體質(zhì)量的變化改變吃水深度，從而讓學(xué)生得出“物體所受浮力的大小與排開液體體積有關(guān)，與物體本身體積大小無關(guān)”的結(jié)論，并正確闡釋《墨經(jīng)》中的“則沈淺，非荊淺也”的涵義。《墨經(jīng)》中對于浮力的描述只有寥寥數(shù)語，但是通過其提煉原始物理問題，抽象出物理模型，設(shè)計(jì)相關(guān)習(xí)題，既讓學(xué)生了解到中國古人對物體沉浮問題的深刻認(rèn)識，同時(shí)又加深了對阿基米德原理的理解。

2.2 “聲音”原始問題教學(xué)

我國古代樂器種類多樣，古人對于聲音的理解也很深刻。在唐代《樂書要錄》中有記載：“形動氣徹，聲所由出也，然則行氣者，聲之源也。聲有高下，分而為調(diào)。高下雖殊，不越十二。假使天地之氣噫而為風(fēng)，速則聲上，徐則聲下，調(diào)則聲中”?！靶蝿託鈴亍敝肝矬w產(chǎn)生振動，空氣也隨之振動，聲音從而產(chǎn)生；同時(shí)也指出風(fēng)速的大小對聲音的音調(diào)會產(chǎn)生一定的影響。在物理中聲音是由振動產(chǎn)生的，這與“形動氣徹，聲所由出也”的表述非常相似?！叭粍t行氣者，聲之源也”，空氣流動引起物體振動，從而發(fā)出聲音?！八賱t聲上，徐則聲下”，風(fēng)速的大小間接導(dǎo)致空氣振動的頻率不同，振動頻率改變，聲音的音調(diào)也會隨之改變。古人通過對生活中聲學(xué)現(xiàn)象的觀察，總結(jié)聲音發(fā)生的規(guī)律及原理；我們可以從其中提煉出原始物理問題，對物理教學(xué)具有啟示作用。

圖2

人類文明許多來自于大自然的啟發(fā)，聲現(xiàn)象應(yīng)用于樂器就是典型例子。例如，嗩吶是我國具有代表性的民族管樂器(圖2)，它聲音雄壯、穿透能力強(qiáng)。筆者以嗩吶名曲《百鳥朝鳳》引入教學(xué)，探究嗩吶的發(fā)聲原理，并引導(dǎo)學(xué)生探究生活中的聲學(xué)現(xiàn)象。我們可以提出如下原始物理問題：嗩吶發(fā)聲的原理是什么？為什么嗩吶可以演奏出不同音調(diào)的鳥叫聲？請對此進(jìn)行用探究。

在進(jìn)行原始物理問題教學(xué)時(shí)，首先需要提出猜想。人吹嗩吶時(shí)，嗩吶空腔內(nèi)空氣振動，從而發(fā)出聲音；改變手指按壓小孔的位置，可達(dá)到改變樂音音調(diào)的目的。

圖3

其次制作模型(圖3)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究：(1) 準(zhǔn)備一根吸管，在吸管三分之一處切一個(gè)小口，并將切口處彎折成一個(gè)直角。(2) 將靠近切口一端的吸管插入水中，然后從另一端用力吹氣；吹氣同時(shí)不斷改變插入水中的深度，并留意聲音發(fā)生的變化。

然后觀察、總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過上面的實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，向吸管吹氣時(shí)，吸管可以發(fā)出聲音；并且聲音隨吸管插入深度的變化而變化；抬高吸管，聲音音調(diào)變低，壓低吸管，聲音音調(diào)變高。

最后分析物理原因(物理表征)，印證最初的猜想。吹入的氣流經(jīng)過吸管切口處時(shí)，氣流撞擊到下端吸管內(nèi)壁，引起共鳴而發(fā)出聲音。聲音音調(diào)的高低則與共鳴腔的長度有關(guān)。抬高吸管時(shí)，共鳴腔長度增大，聲音音調(diào)變低；壓低吸管，共鳴腔長度減小，聲音音調(diào)變高。因此，如果不斷改變吸管插入的深度，音調(diào)也隨著發(fā)生變化。導(dǎo)管發(fā)聲與嗩吶發(fā)聲的原理基本相同，嗩吶上有若干小孔，人通過吹奏將氣吹進(jìn)嗩吶管內(nèi)，使管內(nèi)空氣柱振動而產(chǎn)生聲音，通過按壓不同的小孔，可使音調(diào)發(fā)生改變。這與《樂書要錄》中所提到的“聲有高下，分而為調(diào)”有著異曲同工之妙。

在有關(guān)“聲音”的原始物理問題教學(xué)中，通過“原始素材→提出原始問題→提出猜想→建構(gòu)理想模型→實(shí)驗(yàn)探究→觀察總結(jié)現(xiàn)象→物理表征”的流程，讓學(xué)生在物理與中國古典文化、現(xiàn)實(shí)生活的互融過程中，找到了學(xué)習(xí)物理的樂趣，有利于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

中國古代學(xué)者通過對自然的不斷認(rèn)識和探索，從生活中積累了豐富的物理知識，這對中學(xué)物理教學(xué)具有深刻的借鑒和啟發(fā)意義。[4]基于中國古典著作進(jìn)行原始物理問題教學(xué)，不僅符合課標(biāo)的要求，也讓學(xué)生在提高科學(xué)文化素養(yǎng)的同時(shí)，增強(qiáng)了民族自信心和自豪感。