李洪兵

(江蘇省揚(yáng)州市邵伯高級中學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225261)

物理學(xué)科對促進(jìn)科技發(fā)展、科學(xué)普及乃至推動人類文明的進(jìn)步的重要性對每個人來說不言而喻,但如何破解物理課程成為大多高中生“頭疼”科目是非常值得每一位物理老師思考的問題．

課程問題:高中物理知識體系與初中相比變得更加抽象和繁瑣,尤其矢量性的引入,使很多學(xué)生在剛接觸運(yùn)動學(xué)知識就有“如霧里”的感覺．例如: 繞操場跑一圈,為什么平均速度是0呢?明明花了時(shí)間運(yùn)動了啊?學(xué)生對運(yùn)動學(xué)一知半解,導(dǎo)致對后期的力學(xué)、電磁場、碰撞等知識點(diǎn)的理解與掌握產(chǎn)生惡性循環(huán)．同時(shí)高中物理的學(xué)習(xí)涉及到更多更廣的數(shù)學(xué)知識與運(yùn)算技巧,無形之中增加了課程的難度．

教法問題:由于高中生學(xué)業(yè)繁重,學(xué)習(xí)的科目多,且每門課程的課時(shí)也多等現(xiàn)實(shí)因素,教師更傾向于使用傳統(tǒng)“滿堂灌”的教學(xué)方法,而忽略了對學(xué)情的分析、理論與實(shí)踐的相結(jié)合等,導(dǎo)致了物理課堂枯燥無味、學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)也失去了興趣．

科普設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作、演示現(xiàn)象的呈現(xiàn)過程中涉及到諸多物理原理,如能將科普與物理課堂相融合,學(xué)生通過親手設(shè)計(jì)、制作科普儀器、演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等,不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、深化對物理原理的理解、提升動手實(shí)踐的能力,更能對物理知識體系的連貫性、整體性的理解與掌握有著的很大助推作用,也符合STEAM教育理念．在高中物理教學(xué)過程中,對于抽象、復(fù)雜及重難點(diǎn)的物理原理通過引入科普活動,尤其是對動量定理及電磁場等章節(jié)的經(jīng)典例題或者概念的講解,不僅會對教學(xué)效果起事半功倍的作用,更有可能促進(jìn)學(xué)生對某個章節(jié)的理解乃至物理綜合素養(yǎng)的提升產(chǎn)生良好的蝴蝶效應(yīng)．

1 設(shè)計(jì)一輛安全的汽車

動量定理是高中物理重要的知識點(diǎn),碰撞更是生活常見的現(xiàn)象．雖然碰撞方面的習(xí)題是由生活現(xiàn)象改編而成,但是學(xué)生在處理問題時(shí)仍然是不知所措、漏洞百出,其原因在于學(xué)生習(xí)慣套用公式,忽略知識體系內(nèi)在的連貫性．碰撞過程中不僅涉及了諸多物理原理與定理,還產(chǎn)生了很多危害,全世界每年因車禍造成死亡的人數(shù)數(shù)以萬計(jì)．減少車禍造成的人員傷亡除了加強(qiáng)交通安全教育外,設(shè)計(jì)性能安全可靠的汽車也至關(guān)重要．學(xué)習(xí)完動量系列內(nèi)容之后,師生可以一起演繹一堂科普盛宴——設(shè)計(jì)一輛安全的汽車．

師:同學(xué)們,每年車禍造成很大的人員傷亡,學(xué)完動量相關(guān)知識后,你能否設(shè)計(jì)出一輛性能安全的汽車呢?

生:我們會打造一輛“鋼鐵獸”,汽車在發(fā)生碰撞時(shí),只會產(chǎn)生很小的形變,對人體不會產(chǎn)生擠壓,車?yán)锏娜司蜁馨踩?/p>

雖然學(xué)生已經(jīng)學(xué)過動量相關(guān)知識,但是他們的回答并非意外．究其原因在于學(xué)生用慣性思維來處理物理問題——“硬”才是硬道理,卻忽略了“以柔克剛”的秘笈．此時(shí)教師需要從常見車禍碰撞的形式入手,逐一剖析內(nèi)在的物理問題,逐步塑造學(xué)生使用物理思維解決問題,進(jìn)一步提升學(xué)生的物理素養(yǎng)．

生活中常見的車禍形式有追尾、正面相撞、橫向相撞、側(cè)翻等,由于高中生知識儲備有限,不能講解太深,更需要適當(dāng)?shù)睦硐牖?否則學(xué)生會有“云里霧里”的感覺．

1.1 追尾和正面相撞

圖1:假設(shè)A、B為同一款且質(zhì)量相同的兩輛汽車,B車追尾A車,C處為碰撞點(diǎn)．在碰撞過程中B車的動量損失為Δp,碰撞時(shí)間為Δt,碰撞過程中B車受到的平均力為F,由動量定理得

(1)

圖1

由公式(1)知,當(dāng)Δp為定值時(shí),Δt值越大,則B車在碰撞過程中受到的平均力F值越小,車內(nèi)的人越安全．若C處堅(jiān)如磐石,在碰撞過程中產(chǎn)生微小的形變,則Δt也非常小,碰撞過程中的F就很大,對人體就會產(chǎn)生很大的傷害;若C處的材質(zhì)硬度小一些,在碰撞過程中產(chǎn)生一定的形變,碰撞時(shí)間就會延長,平均力也相應(yīng)的會減小,碰撞對人體的損傷也會適當(dāng)?shù)臏p輕．

1.2 橫向相撞

圖2

圖2.B車橫向撞至A車車門,C處為碰撞點(diǎn)．考慮到車門使用頻率高且緊靠人體,車門的設(shè)計(jì)應(yīng)兼?zhèn)浒踩?、靈活性等性能．要確保車內(nèi)的人在碰撞過程時(shí)不能因車門產(chǎn)生嚴(yán)重的形變而對人體二次傷害,車門材質(zhì)的選擇應(yīng)具備質(zhì)量輕、厚度薄、硬度大等特性．

1.3 側(cè)翻

圖3.當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)翻時(shí),其翻轉(zhuǎn)的軌跡可以簡化成以中心軸旋轉(zhuǎn)的雙螺旋結(jié)構(gòu)(類DNA結(jié)構(gòu)),其受力點(diǎn)主要集中在車體的架構(gòu)上．尤其是發(fā)生連續(xù)翻轉(zhuǎn)時(shí),瞬間的沖擊力非常大,為保證車?yán)锏娜瞬灰蜍圀w變形而受到擠壓產(chǎn)生傷害,因此車體的整體架構(gòu)要有較強(qiáng)的硬度才能保證有較高的安全性．

圖3

一輛性能安全的汽車僅從物理學(xué)的角度來分析、設(shè)計(jì)肯定是欠佳的,但在“設(shè)計(jì)一輛安全的汽車”的物理課堂科普活動中,不僅能夠起到傳授知識的效益,也對學(xué)生思想品德等教育方面也起著重要的作用,將立德樹人融入教育各個環(huán)節(jié)．例如:在分析追尾或者正碰時(shí),告訴我們堅(jiān)如磐石不如適當(dāng)彎曲的道理．此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生當(dāng)和同學(xué)發(fā)生矛盾時(shí),應(yīng)該各退一步,相互包容與理解,則海闊天空;否則互不謙讓、各執(zhí)己見不僅傷害同學(xué)間的友誼,甚至?xí)霈F(xiàn)“沖動是魔鬼”的悲?。谳p松的科普活動中,學(xué)生更容易接受知識的傳授和做人的道理,也能拉近師生之間的距離．

2 電磁現(xiàn)象可視化

由于電磁場是一種既看不見、也摸不著的客觀存在的物質(zhì),其內(nèi)在的抽象性,導(dǎo)致很多高中生在學(xué)習(xí)電磁場內(nèi)容時(shí)會產(chǎn)生了恐懼,甚至厭學(xué)的現(xiàn)象．如果教師只使用傳統(tǒng)的理論分析法,而忽略學(xué)生對知識理解的差異,尤其是電子在電磁場運(yùn)動過程中,由于受力的變化,運(yùn)動軌跡也隨之變化,再需使用經(jīng)典運(yùn)動學(xué)知識分析電磁場問題,那么將會產(chǎn)生教師很辛苦,學(xué)生“如夢里”的教學(xué)現(xiàn)象．但教師在講授電磁場知識時(shí),如能將抽象的電磁現(xiàn)象可視化、具體化后,再用理論知識去分析問題,不僅能夠激發(fā)學(xué)生的興趣,也對教學(xué)效果產(chǎn)生很好的助推作用．

從電子槍中發(fā)出一束電子,然后運(yùn)動到磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)場是高中物理經(jīng)典例題．但是對于“學(xué)困生”來說,貌似很簡單的知識也會有疑問,但如將問題可視化后,那么問題不僅能迎刃而解,也能幫助學(xué)生對電磁場相關(guān)知識體系的掌握與理解．

圖4

圖4(a)是陰極射線管中發(fā)射的一束電子光束,電子重力忽略不計(jì),電子處于平衡狀態(tài),則電子將做勻速直線運(yùn)動,故圖像呈現(xiàn)出的是一條明亮的直線．

圖4(b)是將條形磁鐵的N極放至陰極射線管的右前方,電子束運(yùn)動軌跡為向下偏振的曲線．由左手定則知,電子受到的洛倫茲力向下,故曲線向下偏轉(zhuǎn)．電子在磁場運(yùn)動過程中,洛倫茲力提供向心,則曲率半徑為

(2)

根據(jù)公式(2)得,若磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,則曲率半徑越小,那么曲線的彎曲程度越大．由于條形磁鐵產(chǎn)生的磁場是非勻強(qiáng)磁場,靠近N極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度大,故圖4(b)中呈現(xiàn)的電子束偏轉(zhuǎn)的角度大,曲率半徑越小,彎曲程度越大．

圖4(c)是將條形磁鐵的S極放至陰極射線管的右前方．由于磁場方向與圖4(b)相反．故圖4(c)中顯示出的電子束運(yùn)行軌跡與圖4(b)中的相反,且是一對軸對稱圖案．

簡單的科普活動不僅能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,也能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力,在動手實(shí)踐過程中加強(qiáng)對物理知識的理解與應(yīng)用．同時(shí)學(xué)生在科普活動中通過使用物理與數(shù)學(xué)(Mathematics)方法、科學(xué)(Science)分析實(shí)際問題、運(yùn)用工程(Engineering)技術(shù)(Technology)手段并結(jié)合藝術(shù)(Art)思維設(shè)計(jì)科普儀器,進(jìn)一步助推STEAM教育理念在高中物理課堂中扎根發(fā)芽．