潮汐现象与三步教学法的应用
2011-01-25张启迪贾伟尧
张启迪 贾伟尧
(西南大学物理科学与技术学院 重庆 400715)
1 问题的提出
“潮汐”现象在当今已经不是什么神秘的事情，潮汐发电经过几十年的发展也已经被很多人所熟知.但是很多人,包括部分高中生对“潮汐”现象还仍然停留在“熟悉”的阶段，对其成因等并没有深刻地了解.我国中学物理教材，也经常可以看到潮汐现象的身影.例如北师大版《九年级物理义务教育课程标准实验教科书》和人教出版的《全日制普通高级中学教科书物理(必修加选修)·第二册》中都提到了利用“潮汐”现象进行能量转换发电.但如何对潮汐现象等常见物理现象进行有效教学，使学生真正掌握与其相关的物理知识，是一个值得研究的问题.在此， 笔者提出用 “三步教学法”来讲解潮汐现象，以期对广大读者在进行常见物理现象教学时，有一定的帮助.
2 “三步教学法”在潮汐现象讲授中的应用
2.1 步骤一：创设物理情境了解基本物理现象
该步骤旨在让刚刚接触新物理现象的学生建立一个比较清晰的物理情境，知道在此现象中所涉及到的物理学领域.我们可以在教学中初步分析地球的受力，明确地球受到了太阳和月球的引力，而月球的引力起到主导作用，所以地球在两个力的作用下要发生形变，从而产生了潮汐现象，即太阳和月球对地球的万有引力是产生此物理现象的本源.
2.2 步骤二：定性分析物理情境进行物理建模
该步骤不仅立足于分析地球在形成潮汐中的基本受力情况，还要着眼于定性分析潮汐现象的具体表现形式，即解释高潮、潮汐周期和大、小潮等物理现象.在解释这些物理现象的过程中切忌单纯的理论推导，而应当着眼于学生头脑中物理图像的形成.可以借鉴国外教材《Science Explorer》[1]天文学分册中对该部分知识的讲解.
图1
如图1所示，地球相对于月球有近月点A和远月点B，月球对于A点的引力要大于作用在B点的引力，所以对于A点的海水有更大的被拉向月球的趋势.因此在A点附近的海水一部分涌向A点，在A点也就形成了高潮现象.在B点有着比A点小的月球引力，而地球作为一个除去B点附近海水的整体，被比较强烈地向月球方向吸引，可看作B点及其附近海水被“落下”，因此在B点也形成了另外一个高潮.因高潮的形成，海水通过流动向高潮发生处涌动，在C和D两点海水变少，于是形成了低潮.因此每次潮汐现象出现都会在地球上的不同地方出现两个高潮和两个低潮.又由于地球的自转，所以地球的不同地方发生高潮和低潮呈现出了周期性变化的规律，两次形成高潮的时间间隔被称为潮汐周期[1].在这个阶段主要是对于潮汐现象有关的物理模型进行定性分析，同时通过思维抽象，初步构建物理模型.
2.3 步骤三：完善物理模型进行相关数学计算
例如,可以通过分析太阳和月球对于地球的引力差异来分析谁的引力是形成潮汐现象的主要原因.已经知道太阳到地球与地球到月球的距离的比值约为390，月球绕地球旋转的周期约为27天.利用上述数据及日常的天文知识，即可估算出太阳对月球与地球对月球的万有引力的比值.这是比较简单的运算.当然还可以对基础较好或者有望参加物理竞赛的学生拓展讲解潮汐现象形成根本原因“引潮力”的计算.如图2所示，各量如图标示，计算任意位置处的引潮力.可进行如下拓展讲解.
图2
海水质元Δm受到月球的引力为
其中r2=d2+R2-2dRcosθ，海水质元Δm受的惯性力等于把它放到地心C处时所受引力的负值，即
引潮力为F引和F惯的矢量和，即
F潮=F引+F惯
利用正交分解法以及几何关系可知
同理可推得
3 常见物理现象“三步教学法”的实践心得与体会
任何一个新知识的习得都有一定的过程;这种过程如果符合认知学的规律，那么学习者就比较容易在短时间内对掌握所学内容.日常生活中常见物理现象教学的“三步教学法”的精髓就是遵循由易到难，循序渐进的认知学规律来构建教学内容的.
第一步，构建学生头脑中对一个物理现象的感性认识，此种现象中有哪些分析对象，并初步了解该物理现象中所涉及的物理学领域.
第二步，主要是对形成这种现象的原因进行定性分析.这是教学中不容忽视的一步，它是帮助学生在头脑中进行物理建模，形成物理图像的重要过程.因此，该步对于学生在以后解答与实际情境相关的问题中所用到的抽象物理模型的能力是息息相关的.其目的也是在引导学生锻炼其物理建模能力.
第三步，主要关系到抽象出的物理模型的定量计算问题.一般对于较复杂的抽象模型，计算比较复杂.在历届高考题、竞赛题中有很多此类型的大型计算题[3]，难度较大，因此可以根据具体的物理现象和具体的学习群体有选择地讲解.
参考文献
1 Michael Padilla .Science Explorer.杭州：浙江教育出版社，2008.36
2 徐斌. 潮汐与万有引力. 物理教师，2007,28(11)：52
3 王修权.一道有关潮汐与引力考题的分析.物理通报，2011(7)：100～101
