王建忠

(江蘇省啟東中學 江蘇 南通 226200)

1 問題的由來

趙凱華教授指出：“在教學中，同一問題既可以把原始的物理問題給學生，也可以由教師把原始的物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學模型后再提供給學生．習慣于解后一類問題的學生，在遇到前一類的問題時，往往會不知所措．”這里，趙凱華教授把物理問題分成兩種形式，前者可認為是“物理原始問題”，后者稱為物理習題．所謂“物理原始問題”，是指自然界及社會生產(chǎn)、生活中客觀存在的，能夠反映物理概念、規(guī)律且未被加工過的典型物理現(xiàn)象和物理事實．傳統(tǒng)的物理習題，往往與真實的物理現(xiàn)象相脫離．學生總是圍繞小球、木塊、輕繩、彈簧、斜面、點電荷、理想氣體等對象，感受不到物理現(xiàn)象真實鮮活的一面．當下中學物理教學的現(xiàn)狀是傳統(tǒng)習題訓練有余，而物理原始問題訓練不足．久而久之將影響學生創(chuàng)造性思維的發(fā)展．因此，應打破傳統(tǒng)習題一統(tǒng)天下的局面，通過引進原始問題逐步使習題教學與原始問題教學相結合，提高學生解決實際問題的能力[1,2]．

2 物理原始問題例析

2.1 生活中的物理問題

在生活中，有許許多多的物理現(xiàn)象．如果我們掌握了必要的物理知識，則不僅能解釋這些現(xiàn)象，也能利用它們?yōu)槿祟惙眨?/p>

【例1】吹氣與呵氣是人的一個習慣性動作．當手被高溫物體燙著時，會下意識地對手吹氣使其冷卻；冬天感到手冷時對手呵氣使手暖和.二者都是口腔中與人體等溫的氣體，為什么吹氣可冷而呵氣可暖呢？

解析：這是一個氣體狀態(tài)變化的問題．主要有二個原因．原因之一，吹氣與呵氣涉及兩個不同的氣體狀態(tài)變化過程．吹氣時，口腔先將其中氣體壓縮，然后快速排出，氣體排出后，壓強減小體積增大，氣體對外做功，這個過程進行得很快，來不及與外界交換熱量，可近似認為是絕熱過程，氣體因?qū)ν庾龉Χ鴥?nèi)能減少，溫度降低，因此吹在手上感受到?jīng)鏊菤鈺r，口腔將其中與人體等溫的氣體輕輕排出，這是一個等溫過程，冬天暴露在外的手的溫度比人的體溫低，冷手接觸到呵氣后自然感到暖和．原因之二，與水蒸氣有關．吹氣時皮膚表面的氣流速度增大，加速皮膚表面水分的蒸發(fā)，水蒸氣蒸發(fā)吸熱，達到降溫的目的；冬天對手呵氣時，從口腔中出來的氣體速度較慢，呵出的氣體與人體皮膚相遇時，水蒸氣在皮膚表面液化，放出的熱量被皮膚吸收，因此感到暖和．

【例2】秋、冬季的夜晚脫衣服時經(jīng)?？吹交鸹ǎf明脫衣服時衣服相互摩擦產(chǎn)生的靜電電壓高到將空氣擊穿，為什么能產(chǎn)生如此高的靜電電壓？

【例3】在船離岸距離一樣的情況下，人從大船上跳上岸容易還是從小船上跳上岸容易？證明你的猜想．

解析：從大船上跳上岸容易．可用極端推理法定性分析.人向岸跳出過程，船要反沖，跳船過程中，人做的功等于人和船增加的動能．當船的質(zhì)量趨于無窮時，船反沖速度為零，人所做的功就等于人增加的動能．這種情況下，跳離過程中人做功最少，因此，人從大船上跳上岸容易．

設船的質(zhì)量為M，人的質(zhì)量為m，不計水對船及空氣對船和人的阻力，為使問題簡化，可設人以水平速度v跳離船，船的反沖速度為u．由動量守恒定律，有

mv-Mu=0

跳離過程中人做的功為

物理課堂要架起物理與生活的橋梁，創(chuàng)設由物理到生活，再由生活到物理的探究情境，增加學生對教材的理解深度和廣度，促進物理知識在生產(chǎn)和生活中的應用.

2.2 體育運動中的物理問題

體育運動由于其健體強身的作用和驚險刺激的過程，成為一項大眾項目．我們平時進行各種各樣的體育活動，每一項體育運動中都滲透著物理知識．

【例4】乒乓球是中國的國球，一代又一代的乒乓球運動員為國家爭得了巨大榮譽．運動員發(fā)現(xiàn)，無論乒乓球拍是硬板還是粘上海棉膠皮，猛烈抽打和輕推情形下乒乓球與球拍接觸的時間一樣，請用物理知識解釋這一現(xiàn)象．

解析：硬板球拍和粘上海棉的球拍，接球過程中球拍和球的形變情況不同．對于粘上海棉的球拍，球拍與球碰撞過程中球拍的形變是主要的，可簡化成這樣的過程模型，即彈簧的一端固定在墻上，球以一定的速度向彈簧運動并壓縮彈簧，如圖1．球拍與球接觸的過程是球?qū)椈蓧嚎s至最短再恢復到原長的過程.這一過程可抽象為一彈簧振子振動的半個周期.對于硬板球拍，球的形變是主要的，可簡化成這樣的過程模型,即球上固定一彈簧向固定的墻運動，如圖2.球與球拍接觸的過程同樣可抽象為一彈簧振子振動的半個周期．猛烈抽打和輕推，相當于振子經(jīng)過平衡位置的速度不同，振動的振幅不同，而彈簧振子的振動周期由振動系統(tǒng)本身的性質(zhì)決定(這里由球、球拍的性質(zhì)決定)，與振幅無關，因此，無論乒乓球拍是硬板還是粘上海棉膠皮，猛烈抽打和輕推情形下乒乓球與球拍接觸的時間都一樣．

圖1

圖2

楊振寧先生認為：“很多學生在物理學習中形成一種印象，以為物理學就是一些演算．演算是物理學的一部分，但不是最重要的部分，物理學最重要的部分是與現(xiàn)象有關的．絕大部分物理學是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學的根源．一個人不與現(xiàn)象接觸不一定不能做重要的工作，但是他容易誤入形式主義的歧途,他對物理學的了解不會是切中要害的．”

2.3 雜技表演中的物理問題

雜技演員表演的節(jié)目豐富多彩，具有很高的欣賞價值，當我們用物理學的眼光去看雜技表演時，不但會發(fā)現(xiàn)許多有趣的物理問題，還會明白許多驚險表演的訣竅．

【例5】頂桿是雜技表演中的一個傳統(tǒng)節(jié)目，演員用身體的某一部位支撐一長桿，桿的頂端托著重物，在舞臺上晃晃悠悠地移動．為什么要用長桿？

圖3

解析：可以構建這樣的物理模型．如圖3，長為L的輕桿，上端固定一質(zhì)量為m的小球，下端支撐在固定點O，不計空氣阻力．當桿由豎直位置開始轉過θ角度時，小球的速度為v，由機械能守恒定律可知

此時桿的角速度為

可以看出，桿子越長，轉過相同角度時桿的角速度越小，說明桿傾倒越慢；若轉過相同的角度，所用時間就越長，下面的演員就有足夠的時間來調(diào)整支點的位置，使其保持平衡．

如果桿的質(zhì)量不能忽略，系統(tǒng)的重心離支點O近一些，等效桿長變小，表演將困難些．因此，桿子長一點、質(zhì)量小一點容易表演．利用長桿一方面是為了增強觀賞性，另一方面容易表演成功．

學習的目的在很大程度上是利用所學過的知識去解決新的問題，達到學以致用的目的．解決實際問題的過程，對學生來講就是創(chuàng)新的過程，在解決實際問題的過程中，創(chuàng)新能力和素質(zhì)不斷地得到提高．

2.4 交通運輸中的物理問題

各種各樣的交通工具為我們現(xiàn)代生活和生產(chǎn)帶來了極大的方便，現(xiàn)代交通中的許多問題都跟物理知識有關．

【例6】“十次車禍九次快”，此話道出了超速行駛是安全行車的大敵這一道理，測速對于交通安全來說就成了一項非常重要的工作 ．圖4是在公路上用車載超聲波測速儀測量車速的示意圖．如果警車的速度v0=10 m/s，得到的掃描圖線如圖5所示，那么汽車的速度v1是多少？已知超聲波測速儀每秒發(fā)出1個超聲波脈沖，超聲波速度vS=340 m/s，圖中P1,P2是發(fā)射的脈沖，n1,n2是接收到的反射波．

圖4 車載超聲波測速儀測量車速示意圖

圖5 車載超聲波測速儀測得掃描圖線

圖6 測速儀測速過程的位置示意圖

解析：如圖6所示,P1,n1,P2,n2對應于圖5中4個點，C1,C2是超聲波脈沖P1,P2傳到待測汽車時待測汽車的位置，x1,x2分別是發(fā)出P1,P2脈沖時測速儀與待測汽車間的距離，l1,l2分別是測速儀發(fā)出兩個脈沖到接收到反射波時間Δt1,Δt2內(nèi)測速儀前進的距離，有

2x1-l1= 2x1-v0Δt1=vSΔt1

由圖5可知

代入數(shù)據(jù)得

x1=70 m

同理

2x2-l2=2x2-v0Δt2=vSΔt2

由圖5可知

得

x2=52.5 m

設超聲波測速儀發(fā)射超聲波脈沖的周期為T，待測汽車兩次反射超聲波脈沖的時間內(nèi)汽車行駛的距離為

Δs=x1-x2-v0T

代入數(shù)據(jù)得

Δs=7.5 m

所用時間為

代入數(shù)據(jù)得

Δt=0.95 s

待測汽車的速度為

代入數(shù)據(jù)得

v1=7.9 m/s

【例7】(1)我國的高速公路四通八達．晴天汽車在高速公路上行駛時,在前方一定距離以外，你可能會看到似乎存在一片“水面”，當你靠近“水面”時，“水面”也跟著后退，總保持“水面”與你的距離不變，試用文字說明其原因．

(2)對于(1)中所描述的現(xiàn)象，試利用下列數(shù)據(jù)估算由人到“水面”的距離．設兩眼到地面豎直距離為h=1.6 m，空氣在溫度為t0=15℃，正常大氣壓時折射率為1.000 276，假定1 m以上空氣溫度為t1=30℃，地面的溫度為t=60℃，大氣壓為正常大氣壓，以n為折射率，且(n-1)與空氣密度成正比．

解析:(1)由于太陽的輻射，地面與眼睛處的空氣相比，地面空氣溫度高，折射率較?。斎肷浣谴笥谂R界角時將發(fā)生全反射，某一距離以相對水平面較小的角度向下看時，會看到像水一樣的藍色天空；如果位置改變，只要溫度不變，空氣的折射率不變，發(fā)生全反射的臨界角不變，所以,“水面”到眼睛的距離也不變，“水面”相隨而移動．

圖7

(2)用t表示地面溫度，s表示人到“水面”的距離，如圖7，對于全反射有

而

由氣體的等壓變化規(guī)律，ρT=常數(shù)(式中ρ為氣體的密度，T為氣體的熱力學溫度)，得

T1ρ1=T0ρ0=Tρ

并有

代入數(shù)據(jù)得

tanα=145.5

s=233 m

我國著名物理教育家朱正元教授曾說過：“物理、物理，就是要研究物理現(xiàn)象的道理，要講清它的道理，就必須要就物說理 ．”讓學生在神奇的自然現(xiàn)象和奇妙的生活面前認識物理科學方法，同時將學到的物理方法與社會實踐及其應用結合起來，讓他們體會在生產(chǎn)、生活中的實際應用，不僅可以增加學生的樂趣，還將培養(yǎng)學生良好的思維習慣和科學探究能力．

3 結束語

從上面的例子看出，物理原始問題具有客觀性、復雜性和已知條件的隱蔽性，經(jīng)分解、簡化和抽象后能找出一個合理的物理模型，并運用已知的物理知識解決．解決物理原始問題的一般過程是,將具體問題中的實體構建成對象模型，將實際問題情境構建成過程模型，根據(jù)過程所遵循的物理規(guī)律，構建數(shù)學模型．

物理課程標準中提到，“關注物理學與其他學科的聯(lián)系，知道一些與物理學相關的領域，能嘗試運用有關的物理知識和技能解釋一些自然現(xiàn)象和生活中的問題．”強調(diào)原始問題教學并不是完全排斥傳統(tǒng)習題教學，否定傳統(tǒng)習題教學的價值，而是主張在保留傳統(tǒng)習題教學優(yōu)點的同時，根據(jù)教學的需要選擇數(shù)量合適的物理原始問題供學生練習，揚各自之長，避彼此之短，既可以使學生有效地學習物理知識，掌握科學方法，訓練物理技能，培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度，又能較好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力，有效達成三維目標．

參考文獻

1 邢紅軍．原始物理問題教學．人教網(wǎng)，2011-11-01

2 王建忠．物理教學中要注重定性分析能力的培養(yǎng)．物理教學，2007(06)：18～19