以藏族文化生活为例，开发藏区中学物理课程实验资源

李毛才让，张国恒，2*，尕桑拉毛，2

(1.西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030；2.电子材料国家民委重点实验室，甘肃 兰州 730030)

0 引言

不同的民族有不同的文化历史背景，藏族文化生活中有许多现象和富含物理原理，这些现象能很好地与中学物理实验课程内容相结合，使学生能够从形象的实例中学习、掌握物理知识，同时也能体会到藏族人民在适应自然环境方面表现出的智慧.

义务教育阶段《物理课程标准(实验稿)》明确指出：“使用身边随手可得的物品进行探究活动和各种实验，可以拉近物理学与生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性，感受到科学和社会，科学和日常生活的关系”[1].随着新课程改革的深入，新教材要求教学器材全面、精密、直观.而藏区的部分学校，实验器材严重不足，教师想做实验也无法做.因此，开发生活中的物理实验资源是很有必要的[2].

在新课程改革理念的指导下，经济条件相对较差的藏族中学开发基于本民族特色的低成本中学物理实验资源，不仅可以弥补藏族中学物理实验仪器的缺乏，还有利于提高中学物理实验教学质量，并能很好地激发学生的学习兴趣和求知欲望.同时还可以丰富中学物理实验教学的内容和形式，进一步促进学生的全面发展，促进教师的专业成长和办学特色方面均具有重要的意义[3].如何开发和利用民族特色实验教学资源已成为许多教育工作者十分关注的问题[4].因此，本文以藏族文化生活为出发点，开发具有藏族特色实验资源的三种案例，有效地将民族文化融入中学物理实验教学中，充分发挥民族特色的优势、并对中学物理实验教学改革和民族教育的快速发展起到一定的促进作用[5].

1 藏族生活的中学物理实验资源开发

1.1 利用转经筒开发圆周运动实验资源

人教版新课标高中《物理》第一册第五章“曲线运动”的第五节内容是“向心力 向心加速度”，实验部分向心力演示器选作为实验仪器，如图1所示.该仪器操作较为复杂，会使学生产生畏难抵触情绪，容易导致学生的学习效果达不到要求.

而藏族宗教文化中的转经筒就是其中一个蕴藏圆周运动实验课程资源的实例，转经筒有大有小，小的可以握在手里.藏族人民手中摇动的转经筒叫做“手摇嘛呢轮”，如图2所示. 嘛呢轮以金、银、铜等为材质，主体呈圆柱形，围绕中间的一个轴来旋转.圆柱上刻有藏传佛教的六字真言.每转一轮都相当于背诵一篇经文.每次转到一定的周期，都要更新，这样便能知道转了的圈数.

“嘛呢轮”大部分藏族学生都较为熟悉，其中蕴含着圆周运动的物理原理，如果用其分析和讲解圆周运动中“向心力的大小与哪些因素有关”的内容，能使学生容易掌握该向心力的概念和运动规律，更能激发学生学习物理的兴趣.下面我们以嘛呢轮为例开发物理实验资源，讲解圆周运动。

图1向心力演示器图2手摇嘛呢轮

通过对之前教学内容的学习，我们知道了描述圆周运动的快慢有两个物理量，即线速度v和角速度ω.其中线速度v为物体运动通过的弧长与所用时间的比值来量度，单位是m·s-1，角速度ω为物体与连线扫过角度的快慢，单位是rad·s-1.

v=Δs/Δt

(1)

ω=Δθ/Δt

(2)

其中弧长Δs=rΔθ，代入(1)，得

v=rω

(3)

这表明，在圆周运动中，线速度的大小等于角速度与半径的乘积.

根据加速度的定义与式(1)、式(3)联立可得向心加速度，单位是m·s-2

(5)

已知向心加速度，再根据牛顿第二定律可得向心力的表达式

(6)

我们以“手摇嘛呢轮”的例子来分析探究小坠子旋转运动情况，演示旋转嘛呢轮，让学生分组讨论其受力和运动情况.这样会使学生认识到这种运动结果是受到重力、拉力和向心力的结果.

向心力是个效果力，实际上，它只受重力和绳的拉力(忽略阻力)，这两个力的合力起到了向心力的作用.然而，转动“嘛呢轮”的时候，向心力仅仅是拉力的一个分力，其受力分析如图3所示.小坠子对圆筒的拉力，Fτ为拉力的切线方向上的分力，Fn就是指向圆心的分力，即向心力.r为细绳的长度，也就是“经筒”起初做圆周运动的半径.

旋转过程中，速度越快，r越大，这时坠子运动的圆周平面就越偏上.速度越慢，r越短，坠子运动的圆周平面就越偏下.

我们可以通过改变珊瑚坠子的长度、珊瑚的质量以及改变转速，分析“嘛呢轮”所受向心力以及与向心力有关的因素，向心力的大小等.如果给定坠子悬绳长度r，珊瑚的质量m、“嘛呢轮”转动的转速ω，我们讨论这三个物理量和向心力之间的关系.如果我们改变其中一个物理量，“嘛呢轮”所受向心力会有怎样的改变？可以设定如下的实验内容和步骤.

图3 转经筒受力分析图

1) 增加或减小旋转角速度，定性观察向心力是增大还是减小.

2) 改变半径r，使角速度恒定，观察向心力如何变化.

3) 改变珊瑚球的质量m，保持半径r和角速度ω不变，向心力又如何变化.

通过实验就可以得出实验结论：向心力Fn的大小与物体的质量m、半径r和角速度ω都有关.

1) 当半径和角速度恒定时，质量越大，所需的向心力就越大.

2) 向心力的大小与转速有关，角速度越大，向心力也越大.

3) 当质量一定时，运动半径越小，“嘛呢轮”所需的向心力就越小.

做这个实验的时候，为了安全起见，用一根结实的细绳吊珊瑚球，避免转动过程中细线中断而珊瑚球甩出去，碰到人或其他物体.

学有余力的同学，还可以拓展实验内容.调节小坠子的线长为50 cm，握住手柄，并尽量使圆筒和小坠子在一个水平面内做匀速圆周运动.此时圆筒和经书成为珊瑚锥子圆周运动的向心力.记录圆筒和坠子保持均匀转动的频率.调节水平部分线的长度，使旋转半径先增加1/2倍，然后再减小1/2，分别算出使小坠子仍能做匀速转动的频率.看频率的增减与旋转半径的变化相同还是相反？是否成正比？

1.2 利用耱探究压强的实验资源

图4 耱的实物图

耱是一种农具，藏语叫做夏相，实物如图4所示.由手指粗细的树枝组成，用来打磨耕地，使地面土块变得更细碎[6].春季浇灌农田后，藏区农民在耕种前用它来打平土地并保存土壤水分.当使用时，把它平放在一块耕地上，以骡、马、牛工具向前拉，操作者站在上面，或在上面放石头以增加土壤表面的压力.

压强是中学力学部分的重要内容，主要讲述压强的概念，压强的大小跟哪些因素有关，增大与减少压强的主要方法，这也是以后学习液体压强与气体压强的基础，在生产和生活实际中有广泛的应用.下面我们以耱为例探究影响压力作用效果的因素.其实验内容为：

1) 在相同的受力面积情况下，观察不同压力的耱对麦田被压下的深浅程度，进而来判断压力的作用效果跟压力大小的关系.

2) 在相同压力情况下，不同受力面积的耱对土疙瘩或一片土地被挤压而发生形变的程度或破坏(辗碎)程度，来判断压力的作用效果跟受力面积的关系.

实验步骤：①如图5中的图甲和乙所示，在受力面积相同的情况下，研究压力与压力的作用效果的关系.如图甲所示，把耱放在一垄土疙瘩上，观察压力的作用效果，即土疙瘩被压碎程度.如图乙所示，在耱上放几个砖头，观察此时土疙瘩压碎程度并与图甲的辗碎情况对比.②如图甲和图丙所示，在压力相同的情况下，研究压力的受力面积与压力的作用效果的关系.如图丙所示，将耱放在土地上，观察此时耱陷入土地的深度或压碎程度，并与图甲的情况对比.

(甲)空耱压在单个土块上 (甲)砖块压在耱上 (丙)耱压在一片细土

图5影响压力作用效果图

1) 比较压力相同时，一小土块所受到的压强效果明显还是一片土地上的压强效果明显？

2) 受力面积一定的时候，耱上放一块石头所受的压强效果明显还是不放石头时的压强效果明显？

设耱重为G耱，一片土地的受力面积为S土地，土疙瘩的面积为S土疙瘩.由表1可以看到，在相同的受力面积下，压力越大，土疙瘩被压碎的效果就越明显.在相同的压力下，压力的受力面积较小，压力的影响更为明显.

表1压力作用数据表

由该实验我们可以得出，压力的作用效果与压力的受力面积有关.受力面积一定时，压力越大，压力作用效果越显著，压力一定时，受力面积越小，压力的作用效果越显著.

该实验取材方便、安全性好、操作简单、容易激发学生的兴趣.

通过压强与压力的关系，我们分析在牧区扎帐篷的时候，木钉嘴尖的部位朝下插的时候，就能很轻松地戳进去，而木钉翻过来插的时候，怎么插都插不进去.因为木钉的嘴很尖，意味着受力面积小，压强大，很容易插进去.翻过来插的时候，受力面积变大了，压强小，很难插进去.所以通常牧民们会把制作木钉的时候，钉子口做的很尖.还有一种情况是，木钉往下压的过程中，让一个小孩和大人来压，压的深浅不同，因为小孩体重明显比大人轻，所以压的程度也没有大人的深.这说明受力面积相同的时候，压力越大，压力作用效果越明显，即压强越大.

1.3 利用牛皮船开发浮力教学资源

教学过程中当遇到实际问题给学生讲解时，教师应该结合实际问题设计案例，巩固理论知识的同时，可提高学生解决问题的能力，培养探究问题的能力.在八年级学生中，学习探究影响浮力的因素，我们可以通过分析牛皮船的物理原理来开发实验资源.

牛皮船是藏族人民长期生活经验的智慧结晶，船体采用坚硬而有弹性的树木做骨架，把牦牛皮泡在水里，待皮上的毛全部拨掉后、将四张牛皮并对缝起来.趁牛皮湿时，将其包在骨架上，用牛皮绳子捆紧绷好；晒干、擦油定型后，用牛油、羊油堵住缝口，使之密封避免进水[7].牛皮船呈梯形，实物图如见图6.

图6 牛皮船实物图

在桑耶寺壁画中，早期吐蕃牛皮船是一艘圆形的圆底船，船内只容纳三四个人.近代牛皮船为梯形船，比早期牛皮船大一倍，船内可容纳七八个人[8].牛皮船上载的人和装的货物都比水重，但装了那么多东西的船为什么却不会沉底？通过这个生活实例给学生讲解“物体在液体中受到的浮力等于物体排开液体的重力”，即

F浮=G液排=ρ液gV排

我们使用一个小铁球，把它放在水上，它就立刻沉下去了.如果我们把这块铁球装入牛皮船内，再放到水上，虽然重力没有变，但它却能漂浮在水面上.而且即使往牛皮船里加点货物，牛皮船也只是下沉一点点，但仍能漂浮在水面上.这是由于牛皮底部受到水的压力，即竖直向上的浮力造成的.当浮力等于货物的重力时，船被支承在水面上，浮力随着排开液体的重力的增加和物体底部面积的增加而增加.

图7 牛皮船的受力图

牛皮船底部面积越大，牛皮船排开水的重力就越大，它所受的浮力也就越大，即使牛皮船装载了大量货物，也不会沉到底部.

我们可以拓展分析，图6所示的牛皮船中，上下宽分别为1.5 m和1 m ，假设一个成年男子体重为75 kg，试推算出该船最多能乘坐几个人？

分析牛皮船的受力如图7所示，如果船的上下底的宽分别为b和a，则水的密度

ρ水=1.0×103kg/m3

代入数据，得

S=(1+1.5)×2/2=2.5m2船在水中的体积

V=S·h=2.5×1=2.5×1=2.5m3

则排开水的质量

m=ρ·v=1.0×103kg/m3×2.5m3能乘坐的的人数

N=2.5×103kg/75kg=33(人)

讨论：为了安全起见，一般船的吃水深度不能超过0.7m，则排开水的体积

V=S·h=2.5×0.7=1.75m3

能乘坐的的人数

N=1.75×103kg/75kg=23(人)

通过以上计算，该牛皮船最多能安全载23人渡河.

2 结语

从藏族文化生活中开发实验资源，能切实体现物理学源于生活的理念，为藏族地区物理课程改革的顺利实施注入生机和活力，也有利于提高藏族地区的中学物理实验教学质量，激发学生对物理知识的学习兴趣，同时还可以培养学生的创新精神并运用所学的物理知识，分析解决实际问题的能力，从而更加有效地提高学生的科学文化素养.

从物理学的角度观察、探索、挖掘与学生生活息息相关的中学物理实验课程资源，并把自主开发的实验资源真正落实到中学物理实验教学中，让学生能够对物理学习产生兴趣，让学生发现问题并能培养学生解决问题的能力，是课程资源开发的重要任务.

[1] 教育部.全日制义务教育物理课程标准 (实验稿 )[ M].北京：北京师范大学出版社，2001：38.

[2] 李琼锋. 初中物理实验资源开发与利用[J]. 中学教学参考，2014，(17)：63-63.

[3] 吉日嘎拉，孙咏萍. 基于蒙古族民俗文化的中学物理课程资源的开发与利用[J].内蒙古师范大学学报(教育科学版)，2013，26(2)：114-117.

[4] 六十一.基于蒙古族文化生活的中学物理实验资源开发与利用，[D].内蒙古师范大学，2009.

[5] 赵海燕.新课程理念下初中物理实验课程资源开发与利用实践与研究 [D].内蒙古师范大学，2007.

[6] 陈学仁，郭学芳. 浅谈土壤耕作中的耙耱在农业生产中的作用[J].农学学报，2006，(7)：74-74.

[7] 张婧璞. 西藏“一江两河”中部流域的“牛皮船文化”——以拉萨市曲水县俊巴渔村为例[J].文化遗产，2016，(6)：68-81.

[8] 丹珠昂奔.藏族文化发展史[M].兰州：甘肃教育出版社，2001：1.