張啟迪 賈偉堯

(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 重慶 400715)

1 問(wèn)題的提出

“潮汐”現(xiàn)象在當(dāng)今已經(jīng)不是什么神秘的事情，潮汐發(fā)電經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展也已經(jīng)被很多人所熟知.但是很多人,包括部分高中生對(duì)“潮汐”現(xiàn)象還仍然停留在“熟悉”的階段，對(duì)其成因等并沒有深刻地了解.我國(guó)中學(xué)物理教材，也經(jīng)常可以看到潮汐現(xiàn)象的身影.例如北師大版《九年級(jí)物理義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書》和人教出版的《全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書物理(必修加選修)·第二冊(cè)》中都提到了利用“潮汐”現(xiàn)象進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換發(fā)電.但如何對(duì)潮汐現(xiàn)象等常見物理現(xiàn)象進(jìn)行有效教學(xué)，使學(xué)生真正掌握與其相關(guān)的物理知識(shí)，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題.在此， 筆者提出用 “三步教學(xué)法”來(lái)講解潮汐現(xiàn)象，以期對(duì)廣大讀者在進(jìn)行常見物理現(xiàn)象教學(xué)時(shí)，有一定的幫助.

2 “三步教學(xué)法”在潮汐現(xiàn)象講授中的應(yīng)用

2.1 步驟一：創(chuàng)設(shè)物理情境了解基本物理現(xiàn)象

該步驟旨在讓剛剛接觸新物理現(xiàn)象的學(xué)生建立一個(gè)比較清晰的物理情境，知道在此現(xiàn)象中所涉及到的物理學(xué)領(lǐng)域.我們可以在教學(xué)中初步分析地球的受力，明確地球受到了太陽(yáng)和月球的引力，而月球的引力起到主導(dǎo)作用，所以地球在兩個(gè)力的作用下要發(fā)生形變，從而產(chǎn)生了潮汐現(xiàn)象，即太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻娜f(wàn)有引力是產(chǎn)生此物理現(xiàn)象的本源.

2.2 步驟二：定性分析物理情境進(jìn)行物理建模

該步驟不僅立足于分析地球在形成潮汐中的基本受力情況，還要著眼于定性分析潮汐現(xiàn)象的具體表現(xiàn)形式，即解釋高潮、潮汐周期和大、小潮等物理現(xiàn)象.在解釋這些物理現(xiàn)象的過(guò)程中切忌單純的理論推導(dǎo)，而應(yīng)當(dāng)著眼于學(xué)生頭腦中物理圖像的形成.可以借鑒國(guó)外教材《Science Explorer》[1]天文學(xué)分冊(cè)中對(duì)該部分知識(shí)的講解.

圖1

如圖1所示，地球相對(duì)于月球有近月點(diǎn)A和遠(yuǎn)月點(diǎn)B，月球?qū)τ贏點(diǎn)的引力要大于作用在B點(diǎn)的引力，所以對(duì)于A點(diǎn)的海水有更大的被拉向月球的趨勢(shì).因此在A點(diǎn)附近的海水一部分涌向A點(diǎn)，在A點(diǎn)也就形成了高潮現(xiàn)象.在B點(diǎn)有著比A點(diǎn)小的月球引力，而地球作為一個(gè)除去B點(diǎn)附近海水的整體，被比較強(qiáng)烈地向月球方向吸引，可看作B點(diǎn)及其附近海水被“落下”，因此在B點(diǎn)也形成了另外一個(gè)高潮.因高潮的形成，海水通過(guò)流動(dòng)向高潮發(fā)生處涌動(dòng)，在C和D兩點(diǎn)海水變少，于是形成了低潮.因此每次潮汐現(xiàn)象出現(xiàn)都會(huì)在地球上的不同地方出現(xiàn)兩個(gè)高潮和兩個(gè)低潮.又由于地球的自轉(zhuǎn)，所以地球的不同地方發(fā)生高潮和低潮呈現(xiàn)出了周期性變化的規(guī)律，兩次形成高潮的時(shí)間間隔被稱為潮汐周期[1].在這個(gè)階段主要是對(duì)于潮汐現(xiàn)象有關(guān)的物理模型進(jìn)行定性分析，同時(shí)通過(guò)思維抽象，初步構(gòu)建物理模型.

2.3 步驟三：完善物理模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算

例如,可以通過(guò)分析太陽(yáng)和月球?qū)τ诘厍虻囊Σ町悂?lái)分析誰(shuí)的引力是形成潮汐現(xiàn)象的主要原因.已經(jīng)知道太陽(yáng)到地球與地球到月球的距離的比值約為390，月球繞地球旋轉(zhuǎn)的周期約為27天.利用上述數(shù)據(jù)及日常的天文知識(shí)，即可估算出太陽(yáng)對(duì)月球與地球?qū)υ虑虻娜f(wàn)有引力的比值.這是比較簡(jiǎn)單的運(yùn)算.當(dāng)然還可以對(duì)基礎(chǔ)較好或者有望參加物理競(jìng)賽的學(xué)生拓展講解潮汐現(xiàn)象形成根本原因“引潮力”的計(jì)算.如圖2所示，各量如圖標(biāo)示，計(jì)算任意位置處的引潮力.可進(jìn)行如下拓展講解.

圖2

海水質(zhì)元Δm受到月球的引力為

其中r2=d2+R2-2dRcosθ，海水質(zhì)元Δm受的慣性力等于把它放到地心C處時(shí)所受引力的負(fù)值，即

引潮力為F引和F慣的矢量和，即

F潮=F引+F慣

利用正交分解法以及幾何關(guān)系可知

同理可推得

3 常見物理現(xiàn)象“三步教學(xué)法”的實(shí)踐心得與體會(huì)

任何一個(gè)新知識(shí)的習(xí)得都有一定的過(guò)程;這種過(guò)程如果符合認(rèn)知學(xué)的規(guī)律，那么學(xué)習(xí)者就比較容易在短時(shí)間內(nèi)對(duì)掌握所學(xué)內(nèi)容.日常生活中常見物理現(xiàn)象教學(xué)的“三步教學(xué)法”的精髓就是遵循由易到難，循序漸進(jìn)的認(rèn)知學(xué)規(guī)律來(lái)構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容的.

第一步，構(gòu)建學(xué)生頭腦中對(duì)一個(gè)物理現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)，此種現(xiàn)象中有哪些分析對(duì)象，并初步了解該物理現(xiàn)象中所涉及的物理學(xué)領(lǐng)域.

第二步，主要是對(duì)形成這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行定性分析.這是教學(xué)中不容忽視的一步，它是幫助學(xué)生在頭腦中進(jìn)行物理建模，形成物理圖像的重要過(guò)程.因此，該步對(duì)于學(xué)生在以后解答與實(shí)際情境相關(guān)的問(wèn)題中所用到的抽象物理模型的能力是息息相關(guān)的.其目的也是在引導(dǎo)學(xué)生鍛煉其物理建模能力.

第三步，主要關(guān)系到抽象出的物理模型的定量計(jì)算問(wèn)題.一般對(duì)于較復(fù)雜的抽象模型，計(jì)算比較復(fù)雜.在歷屆高考題、競(jìng)賽題中有很多此類型的大型計(jì)算題[3]，難度較大，因此可以根據(jù)具體的物理現(xiàn)象和具體的學(xué)習(xí)群體有選擇地講解.

參考文獻(xiàn)

1 Michael Padilla .Science Explorer.杭州：浙江教育出版社，2008.36

2 徐斌. 潮汐與萬(wàn)有引力. 物理教師，2007,28(11)：52

3 王修權(quán).一道有關(guān)潮汐與引力考題的分析.物理通報(bào)，2011(7)：100～101