彭軍凱

摘 要： “功”是八年級(jí)物理教學(xué)中極易出錯(cuò)和難以掌握的一個(gè)重要概念，又是一個(gè)復(fù)合型的物理概念，既涉及距離，又涉及力.同時(shí)功的概念比較抽象，物理中的“功”與生活中的“功”有實(shí)質(zhì)性區(qū)別，且學(xué)生沒有學(xué)習(xí)能的轉(zhuǎn)化相關(guān)知識(shí)，很難認(rèn)識(shí)“功”.理解不了的學(xué)生只能死記概念，導(dǎo)致在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中不能靈活應(yīng)用.本文試著設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程和科學(xué)思維過程，克服學(xué)生的思維障礙，自主建立功的概念.

關(guān)鍵詞： 功的概念;思維障礙;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1 教材現(xiàn)狀分析

筆者查閱多版現(xiàn)行初中物理教材發(fā)現(xiàn)，大部分在簡(jiǎn)單描述現(xiàn)象后便直接提出功的概念，缺乏思維過程，缺乏對(duì)功的物理意義的描述.因此，學(xué)生只是處于機(jī)械的識(shí)記狀態(tài)，并不能真正地接受功的概念.只有2012年蘇科版教材使用斜面從功的原理角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)建立功的概念.但是學(xué)生之前沒學(xué)習(xí)過斜面，且蘇科版中三次提升的不是同一重物，沒有突出 Fs 不變的思想，而且由于斜面本身因素 Fs 與 Gh 相差較大，學(xué)生在總結(jié)規(guī)律、建立概念的過程中仍有困難.

2 學(xué)生的思維障礙

直接提出功的概念，既不符合新課改理念，又給學(xué)生理解功的概念造成一定困擾，并且功是一個(gè)復(fù)合型的物理概念，既涉及距離，又涉及力.功的概念比較抽象，物理中的“功”與生活中的“功”有實(shí)質(zhì)性區(qū)別，且學(xué)生沒有學(xué)習(xí)能的轉(zhuǎn)化相關(guān)知識(shí)，很難認(rèn)識(shí)“功”，因此學(xué)生建立功的概念有一定的思維障礙.

對(duì)學(xué)生而言，建立功的概念主要障礙在于：（1）理解功的意義;（2）理解功的定義中“距離”必須是“力的方向上通過的距離”;（3）理解為什么把“力與物體在力的方向上通過的距離的乘積”定義為功.

3 如何克服學(xué)生思維障礙

要克服學(xué)生思維障礙，必須以學(xué)生的感性經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，尋找學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，可以讓學(xué)生在自主探究的過程中自主建構(gòu)知識(shí).

學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)是什么呢？ 以北師大版教材為例，學(xué)生雖然已經(jīng)學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)和力、杠桿和滑輪等知識(shí);有一定的實(shí)驗(yàn)探究經(jīng)驗(yàn)，能組裝簡(jiǎn)單滑輪組，知道使用簡(jiǎn)單機(jī)械可省力而費(fèi)距離，但對(duì)于力與距離的具體關(guān)系并不明確.如果能探明力與距離的具體關(guān)系，就能在此基礎(chǔ)上理解功的意義.

如何理解功的意義呢？

理解功的意義，首先在于理解“距離”必須是“力的方向上通過的距離”.因此可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)使物體在力的方向上移動(dòng)一段距離，讓學(xué)生在多次實(shí)驗(yàn)中感受這個(gè)過程，使之由感性經(jīng)驗(yàn)上升為理性認(rèn)識(shí).

理解功的意義，關(guān)鍵在于理解“為什么把力與物體在力的方向上通過的距離的乘積定義為功”.可以借用學(xué)生對(duì)“力與距離的具體關(guān)系”的困惑提出問題，進(jìn)行探究.明確了力與距離的關(guān)系（即力與距離的乘積不變，是定值），就明確了力與物體在力的方向上通過的距離的乘積的意義，也就明確了功的意義.

那么如何讓力與物體在力的方向上通過的距離的乘積保持不變呢，只有在理想情況下，使用簡(jiǎn)單機(jī)械將重為 G 的物體提升 h 時(shí)， Fs 將與 Gh 相等，從而保持不變.得到 Fs 是一個(gè)不變量，學(xué)生就易于理解“力與物體在力的方向上通過的距離的乘積”是一個(gè)有意義的物理量，從而建立功的概念.為了保證 Gh 不變，從而保證 Fs 不變，可采用簡(jiǎn)單機(jī)械提升同一重物到同一高度.

4 如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

4.1 選擇何種簡(jiǎn)單機(jī)械

如選杠桿提升重物，則存在如下缺點(diǎn)：（1）力的作用點(diǎn)移動(dòng)的軌跡是曲線，為學(xué)生理解“在力的方向上移動(dòng)的距離”增加了難度;（2）在測(cè)量物體及力的作用點(diǎn)移動(dòng)的距離時(shí)，操作比較困難;（3）提升重物的高度受到限制，需要用較長(zhǎng)的杠桿.

如選斜面，則存在如下不足：（1）學(xué)生沒有學(xué)過斜面，增加了學(xué)習(xí)難度;（2）實(shí)驗(yàn)應(yīng)選用摩擦較小的四輪小車，但在測(cè)量小車沿斜面移動(dòng)的距離 s 和小車被提升的高度 h 時(shí)，應(yīng)將小車看作質(zhì)點(diǎn)，但小車的重心不容易確定，所以測(cè)量小車沿斜面移動(dòng)的距離和被提升的高度 h 均比較困難，導(dǎo)致 Fs 與 Gh 差別較大.

如果選擇滑輪的優(yōu)勢(shì)：（1）拉力的方向與拉力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離在同一直線上，便于學(xué)生克服思維障礙;（2）物體上升的距離和拉力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離，都容易測(cè)量，只需一把米尺;（3）學(xué)生已學(xué)過滑輪的相關(guān)知識(shí)和技能.所以選擇滑輪提升重物比較合適.

4.2 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）為使滑輪組的組裝更容易，并且盡可能減小細(xì)繩與滑輪的摩擦，采用 n =2，3，4的簡(jiǎn)單情況（向上拉）進(jìn)行探究，如圖1所示.

（2）為保證 Gh 不變，從而保證 F s是不變量，采用滑輪提升同一重物到同一高度.

（3）由于無(wú)質(zhì)量的動(dòng)滑輪不存在，故把物體與兩個(gè)動(dòng)滑輪當(dāng)作一個(gè)整體，計(jì)其總重為 G ，以減小 Fs 與 Gh的 差別，如圖2所示.

（4）為減小彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)誤差，采用豎直向上緩慢拉彈簧測(cè)力計(jì)的方式，并采用盡可能重的物體（選用四個(gè)約200g的鉤碼）.

（5）為了便于測(cè)量上升的距離，在鉤碼和彈簧測(cè)力計(jì)上都安裝輕質(zhì)細(xì)指針，如圖3所示.

4.3 實(shí)驗(yàn)器材的選擇

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，選用如下器材：一個(gè)定滑輪、兩個(gè)連在一起的動(dòng)滑輪、10N彈簧測(cè)力計(jì)（帶輕質(zhì)指針）、四個(gè)200g鉤碼（帶輕質(zhì)指針）、木質(zhì)米尺、細(xì)線、鐵架臺(tái)等.

5 如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

（1）把木質(zhì)米尺豎直固定在鐵架臺(tái)上，用調(diào)好的彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量四個(gè)鉤碼和兩個(gè)動(dòng)滑輪的重量記為 G .

（2）安裝好動(dòng)滑輪，用一個(gè)動(dòng)滑輪豎直向上提升重物.彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上緩緩拉動(dòng)，直到把重物提升0.1m，記錄彈簧測(cè)力計(jì)緩慢移動(dòng)過程中的示數(shù)為 F₁ ，彈簧測(cè)力計(jì)移動(dòng)的距離為 s₁ .

（3） 保持重物不變，用一個(gè)動(dòng)滑輪和一個(gè)定滑輪構(gòu)成的滑輪組向上提升重物，彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上緩緩拉動(dòng)，直到把重物提升0.1m，記錄彈簧測(cè)力計(jì)緩慢移動(dòng)過程中的示數(shù)為 _F2 ，彈簧測(cè)力計(jì)移動(dòng)的距離為 s₂ .

（4） 保持重物不變，用兩個(gè)動(dòng)滑輪和一個(gè)定滑輪構(gòu)成的滑輪組向上提升重物，彈簧測(cè)力計(jì)豎直向上緩緩拉動(dòng)，直到把重物提升0.1m，記錄彈簧測(cè)力計(jì)緩慢移動(dòng)過程中的示數(shù)為 F₃ ，彈簧測(cè)力計(jì)移動(dòng)的距離為 s₃ .

（5）將測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄在表1中.

6 功的概念的建立

學(xué)生在多次實(shí)驗(yàn)過程中體驗(yàn)到拉力作用點(diǎn)移動(dòng)的距離一直沿著拉力的方向，這就為學(xué)生理解“‘距離必須是‘力的方向上通過的距離”提供了認(rèn)知基礎(chǔ)，有效克服第二個(gè)思維障礙;并且總結(jié)數(shù)據(jù)規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn) Fs 與 Gh 近似相等，是一個(gè)不變量，從而得出結(jié)論：力與物體在力的方向上通過的距離的乘積，是不變量;在物理學(xué)中，稱這一乘積為功.

通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生很好地理解了功的物理意義，理解“力與物體在力的方向上通過的距離的乘積”的意義，從而克服學(xué)生建立功的概念的思維困難，有效建立功的概念.

進(jìn)一步結(jié)合物理學(xué)史，描述功的意義和由來(lái).“功的概念起源于早期工業(yè)革命的需要，當(dāng)時(shí)的工程師們需要有一個(gè)比較蒸汽機(jī)效益的辦法.在實(shí)踐之中大家逐漸同意用機(jī)器舉起的物體的重量與高度之積來(lái)量度機(jī)器的輸出，并稱之為功”[1].科里奧利在“論剛體力學(xué)及機(jī)器作用的計(jì)算”一文中，明確地把作用力和受力點(diǎn)沿力的方向的可能位移的乘積叫做“運(yùn)動(dòng)的功”[2].

通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，學(xué)生進(jìn)一步升華對(duì)功的概念的認(rèn)識(shí)，使功的概念建立更有說(shuō)服力.

7 實(shí)驗(yàn)價(jià)值

此實(shí)驗(yàn)從學(xué)生已有知識(shí)技能出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)歷科學(xué)探究過程和科學(xué)思維過程，概括實(shí)驗(yàn)事實(shí)，得出新見解，體會(huì)研究問題的方法——乘積定義法，促進(jìn)學(xué)生對(duì)功的概念的理解，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維能力的發(fā)展，也讓學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)功的積極性.并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，既實(shí)現(xiàn)了自主課堂，并且體現(xiàn)出科學(xué)探究彰顯的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，張維善.新概念高中物理讀本（第一冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2006.

[2]向義和.物理學(xué)基本概念和基本定律溯源[M].北京：高等教育出版社，1994.