本源教学 识物明理

策划人：方观生

本期栏目主持人：熊宏华

策划人语：“物理定律不能单靠‘思维来获得，还应致力于观察和实验。…‘本源教学识物明理”的教学理念便致力于做到这样，其主张让学生在玩中学、在看中思、在做中悟，有效地打破了学生认为物理学科枯燥又抽象的固有偏见，使学生对身边诸多物理现象怀揣一颗好奇之心，让学生玩出智慧、看出门道、悟出真谛。

物理是一门实验科学，注重观察和实验是我们学好物理的重要方法之一。在生活中多观察、多实验、多琢磨，你就会发现物理原来很有趣，并逐渐明白其中的很多道理。

一、玩中学

“玩”是大家喜闻乐见的字眼，玩让人开心、让人快乐，其实，很多玩的活动蕴含着丰富的物理知识，只有用心去玩才能玩出乐趣、玩出智慧、玩出意想不到的收获。

（一）玩杠杆

请估算你做俯卧撑的平均功率是多少？

这是一个常见而典型的原始物理问题，没有给出解题的物理量，没有设定特定的物理模型，也没有明确考查的物理规律和方法。要解决这个问题，学生需要在玩中体会，把俯卧撑运动进行简化，分解、抽象出相应的物理模型。

如图1所示，做俯卧撑时，人体可抽象成一个杠杆，结合生活实际对相关物理量赋值，假设人体的体重为50kg，重心在臀部附近，他在1min内做了30个俯卧撑，每次肩部上升的距离为0.4m，就可估算出做俯卧撑的功率约为67W。

不难看出，要估算做俯卧撑的平均功率，必须忽略非本质、次要的因素，突出研究客体的主要矛盾，抽象出理想的物理模型，集中反映出问题的本质和规律。原始问题的解决恰恰就是以建立物理模型为基础的，而物理模型的建立离不开抽象思维，如质点模型、点电荷模型、理想气体模型、弹簧振子模型等，都是理想化的实体模型，做俯卧撑人体玩的就是杠杆。

（二）玩重心

形态可变的物体，其重心位置是可变的，像人体的重心位置就可通过人体姿势的改变来调控。在许多体育运动项目中，人就是通过对自身重心位置的有效调控来把握动作要领、发挥较好的成绩。例如，跳高的常见姿势一般有跨越式和背越式，但要想跳出较好的成绩必须采用背越式，这是什么原因呢？

跨越式跳高，过杆时人体呈“大”字形（如图2），尽管人将两腿尽可能分开，但其重心O肯定在横杆以上;而背越式跳高，过杆时人体呈弓形，重心O不仅在人体之外，且可在横杆以下。对某一运动员而言，他能将自己的重心提升的高度是一定的，因而对他来说，跳高时采用背越式肯定比采用跨越式跳得高些，从两种姿势的对比图示中不难看出，在重心等高的情况下，背越式跳过的高度明显大于跨越式。当然，身体的柔韧性越强，将身体弯曲得越厉害，重心就下移得越多，成绩就越好，这就是跳高时背越式胜过跨越式的奥秘。

这里的图解将跨越式和背越式抽象成“大”字形与“弓”字形，简单明了，通过将过杆时“两跳”的重心锁定在同一高度（如图3虚线所示），背越式过杆的高度优势就显而易见了，这里的“重心”可谓点睛之作。从某种意义上讲，跳高玩的就是重心。

（三）玩电磁炉

在讲电磁感应、涡流现象时，教师将一匝接有LED灯的封闭线圈往一个光秃秃的盒子上一放，学生眼前一亮，灯着了，全场人的眼球一下被吸引过来，掀开盒子，里面露出的是一个电磁炉，掀开电磁炉台板，里面露出的是“黄金饼”一样的线圈，于是话题便展开了……

涡流看不见、摸不着、很抽象，为增强学生的感性认知，教师用了几个半径不同、均连有发光二极管的单匝圆形线圈由内至外呈同心圆状平铺在电磁炉的台板上，接通电源，二极管便闪闪发光。依据实情实景，教师引导学生分析，慢慢认识了涡流：当线圈越加越多，到密不可分时，就会构成一个平面，将这些平面层叠起来，就对应一整块导体。一圈一圈的感应电流就像旋涡一样，这种产生在整块导体内部的感应电流称为涡流。（PPT展示涡流的动态图示）

细心的学生会发现，教师在做“隔空点灯”和“涡流显形”的演示时，电磁炉台板的中央总是放置一个铝质的盛水小杯，这里面有什么奥秘呢？只见教师撤掉小杯，单独将连有灯泡的线圈放在电磁炉上，只听到电磁炉发出滴、滴、滴的报警声，无法正常工作。教师解释说，电磁炉里面有一个启动识别电路，只有达到相应的“有效载荷”才会启动工作，否则它就罢工，将铝质的盛水小杯放在其中，电磁炉才会识别启动。看来教师做演示实验就像魔术师变魔术一样，不仅要让观众知其然，还要让观众知其所以然！

没想到餐台上的电磁炉竟成了物理课堂上不可多得的实验器材，意外！好奇！驚叹！“节外生枝”，一个接一个的生动细节把学生带入了熟悉而又神秘的物理世界，让学生欲罢不能.这堂课玩的就是电磁炉。

二、看中思

面对丰富多彩的大干世界，“看”也是一桩赏心悦目的事。眼睛是心灵的窗户，也是人体直接感知外界的重要器官，能学好物理的人必然有一双慧眼，这双眼睛不仅能感知多姿多彩的自然现象与社会现象，还会察觉现象背后的物理。

（一）看实物

水银体温计是最常用的人体体温测量工具，它操作简便，测量精度高，是每个家庭保健箱中的必备用品，体温计中的水银液柱很细，细到有时读数时都不易察觉，但转过一个合适的角度常常会看到一个又粗又亮的“水银柱”，这其中有什么奥妙呢？

为此，笔者要求学生写一篇题为“体温计中的几何光学知识”的短文，学生兴趣浓厚。几天后检查学生写的短文，大约有五分之二的学生达成了这样的共识：图示为体温计中部横截面示意图。

可以说，水银柱既处于凹面镜的焦点又处在凸透镜焦距以内，正是这凸透镜的放大作用和凹面镜的聚光作用，让水银柱变得又粗又亮，当观察者正对刻度线读数时，便会看到很粗很亮的“水银柱”，这其实是又细又不起眼的水银柱所成的放大而扮亮的虚像。 这大概是每个人都会遇到的原始情景了，从什么视角画图分析呢？横截面示意图做出了最好的回答。

（二）看图示

（2011年江苏高考题）如图所示，演员正在进行杂技表演。由图可估算出他将一只鸡蛋抛出的过程中对鸡蛋所做的功最接近于（ ）

A. 0.3 J B.3J C.30J D.300 J

分析过程如下：

解答此题，除构建出上述物理模型外，鸡蛋上抛的最大高度和鸡蛋质量的赋值也显得尤为重要。除依据生活经验估计鸡蛋的质量外，还要依据图示细节估计鸡蛋上抛的最大高度，从图中不难看出，人抬手齐腰将鸡蛋向上抛出，最高点与人的嘴巴齐平，这个高度大约是0.5m，鸡蛋的质量大概是0.05kg，根据动能定律可求得他将一只鸡蛋抛出的过程中对鸡蛋所做的功最接近于答案A。

江西省特级教师黄恕伯对本题进行了经典评价，他认为估计鸡蛋的质量，是否属于物理课应该掌握的内容？根据图示细节估计鸡蛋上抛的最大高度是否属于物理课应该掌握的内容？答案是肯定的，因为它们跟三维目标、物理学科核心素养导向密切相关，它源于生活，所涉及的知识是高中的核心知识，是一道体现新课程理念的好题。

（三）看情景

曲线运动方向是曲线运动的一个教学难点，人教版教材引入飞镖突破这个难点，效果还是不错的。

类似的实践情境还有喷气式飞机机身轴线的指向，跟飞机喷出气体所形成的运动轨迹相切。汽车照亮前方道路的光束，跟汽车运动的轨迹相切。下面就有这样一道题。

某摩托车（或电单车）在平直公路上行驶时，车前照明灯的光束跟平直的道路很吻合。当该车转弯时，其前、后车轮在地面上留下了不同的曲线轨迹，试问：照明灯束的指向是跟以下哪条轨迹相切？

A.前轮的轨迹

B.后轮的轨迹

C.该车前、后轮连线中点的运动轨迹

D.条件不够，无法确定

我们将这道题拿到基础较好的实验班进行测试，选A的占35%、选B的占25%、选C的占30%、选D的不过10%，能做出正确选择的学生很少，这说明当下学生的原始问题自觉意识非常淡薄，尤其是选C的学生几乎没有这种意识。

心目中有上面的情景图就知道：黄车车前灯光束跟前轮的轨迹相切;蓝车车前灯光束跟后轮的轨迹相切;而红车就另当别论了，转向灯光束跟前轮的轨迹相切，车架灯光束跟后轮的轨迹相切。答案D才是对的。

（四）看现象

如图4，当磁极移近或远离铝环会产生什么现象？这是人教版3-2楞次定律后的一道习题。有人主观地认为当磁极移近或远离封闭的A环时，才会发生“来拒去留”的现象，真正做实验才会发现：不论磁极移近或远离哪个环，均会发生“来拒去留”现象，只是A环比B环更加显著。

但一些教师并没有正视这一现象，甚至把B环的“小动作”归结为气流的扰动，其实不然，当在条形磁铁的一端增加小强磁块（其他条件不变）做比较实验便不难看出，随着磁极磁性的增强，B环的“小动作”会越来越大。基于这一客观的物理现象便能做出正确的解释：A环的“大动作”是由于磁通的变化激发的环状电流和环体涡流与磁极的共同作用所致，而B环的“小动作”仅仅是环体涡流所致。

俗话说：外行看热闹，内行看门道，这物理学中看的可都是门道呀！

三、做中悟

“做”是一个汉字词语，由没有到存在之间的过程，做就是创造，做对于学好物理太重要了，物理是一门实验科学，必须亲自参与到物理过程中才会悟出真谛来。

（一）做游戏

良好的开端是成功的一半，新课的导人是课堂教学中起始而又关键的一环，一般分认知导入、方法导入和情感导入三大类，通过做游戏激疑，诱发学生的好奇心、求知欲就是情感导入的有效尝试。

在上自感课，引入新课时教师请了几位学生上讲台参与如图所示的实验：合上开关，参与的学生没感觉，可断开开关时参与同学确有明显触电的感觉，这种“反常”的现象立刻引起全班学生的高度关注，新课的学习就这样围绕破解“反常”背后的玄机展开，收到良好效果。

新课《平抛运动》的引入是从“圆圈套公仔”的游戏开始的，2020年是猪年，教师特意准备了几个“小猪佩奇”的公仔让学生上讲台套，谁套着了，公仔就奖给谁，学生都来了兴致，课堂一下热闹起来。一看就是个有门道的技术活儿，有学生三两下就套中了，有的怎么也套不着。

教师发话了：“估计大家都有过做这种游戏的经历，想想看，这圆圈抛出时都有什么讲究？”教师边说边随机给几个学生发放圆圈让学生在体验中感悟，学生单臂伸开手拿圆圈在水平面内小角度的转动圆圈做抛出状。

“水平拋出！”几个学生几乎是异口同声回答。

“对了，是平抛！那么要想提高套公仔的成功率有什么窍门儿？这与物理学中的什么运动有关？”教师边说边板书新授课题：平抛运动。

（二）做验证

气泡向前移动？

面对如图所示的装置，教师发出了这样的疑问：做匀速直线运动的小车上水平放置一密闭的装有水的瓶子，瓶内有一气泡，当小车突然停止运动时，气泡相对于瓶子怎样运动？

这个十分具体的情景问题很快吸引了大部分学生的注意力，不少学生脱口而出：“气泡向前运动！”教师问：“气泡为什么会向前运动？” 学生回答：“由于惯性。”“气泡相对于瓶子真的向前运动？”学生疑惑、沉默……这时，笔者引导学生探究、讨论：“瓶子中有几种状态的物质？”“哪种状态的物质质量大？”“质量大的物质意味着什么？”“惯性大的物质又意味着什么？”

一个接一个切中学生思维脉搏的问题引发了学生热烈的讨论，通过一番争论与辨析逐步达成共识（思维的共鸣）。

此题涉及的研究对象不仅是气泡，还有水。由于惯性的大小与质量有关，而水的质量远大于气泡质量，因此水的惯性远大于气泡的惯性，当小车突然停止时，水保持向前运动的趋势远大于气泡向前运动的趋势。当水相对于瓶子向前运动时，水将挤压气泡，使气泡相对于瓶子向后运动。

接下来的演示印证了师生的共识。

对上述问题的讨论不仅找到了问题的正确答案，更重要的意义是加深了学生对牛顿第一定律的理解。对培养学生缜密的思维品质无疑会起到积极作用。

水会喷出来？

上“超重和失重”课时，讨论了超重现象后，教师就开始涉及完全失重现象，为让学生得到充分的感性认识，教师演示了这样的实验：将一个装满水的开口饮料瓶，底部钻孔，水便从底部喷出，当他松开手让瓶子自由下落時，学生惊奇地看到：瓶在下降过程中，水不再从孔中喷出。教师引导学生逐步分析，瓶子做自由落体运动，只受重力作用，同样瓶中的水也是做自由落体运动，只受重力作用，这说明水与瓶体间没相互挤压的力，所以水不会从孔中喷出。

教师并没有就此对完全失重现象做出理论上的结论，而是不失时机地引导学生猜想：如果将瓶子竖直上抛，水会从孔中喷出吗？大部分学生认为水会从孔中喷出，甚至认为上抛时水会比静置时喷得更远，只有少数学生持怀疑态度，在这种情况下，几个学生主动上台相互商议、协作，进行了探究式的实验演示，他们分别将盛水瓶竖直上抛、斜上抛、平抛、斜下抛，出乎意料的情景出现了，无论往哪个角度抛出瓶子，水均不会从孔中喷出。通过引导学生分析对比抛体运动和自由落体运动的异同，使大家意识到，只要水瓶仅受重力作用，水就不会喷出，与水瓶的运动方向、速度大小无关，然后，教师以完全失重现象为突破口，从特殊到一般，结合生活中的实例讨论、分析，使学生对失重这一现象有了比较深刻的认识。

（三）做实验

悬停的直升机

在讲物体的平衡时，教师让玩具遥控直升机悬停在讲台的上方，引导学生分析：飞机在空中处于平衡状态的奥妙何在？飞机受力情况如何？与重力平衡的力何以产生？活灵活现的生活情景，现实具体的物理问题几乎触动了所有学生的神经，引发强烈的思维碰撞，有效加深了学生对受力分析、牛顿第三定律内涵的深入理解。

矛盾的摩擦力

在“研究摩擦力”的课堂教学中，教师引导学生分析了行驶中的汽车轮（后轮驱动）所受摩擦力的情况，通过多方启发费了很大周折才勉强得出结论：汽车在行驶时，前轮受到的摩擦力向后，后轮受到的摩擦力向前。这时有位同学站起来不解地说：“老师，依照这个结论，汽车前、后轮受到的摩擦力不是相互矛盾吗？”“对，你说得没错，汽车后轮受到的摩擦力对汽车来说是驱动力，汽车前轮受到的摩擦力对汽车来说是阻力。”看着学生似懂非懂的神情，教师明白，学生对这一问题还是一知半解。

在接下来的第二次课中，教师有意颠倒了教材编排顺序，提前学习了牛顿第三定律。教师摆出了如图5所示的实验装置，看着讲台上的这套装置，学生瞪大了眼睛。当教师用遥控器启动电动小汽车时，让学生料想不到的一幕出现了：与前轮接触的木板被向前推出，与后轮接触的木板被向后推出。如何解释这一实验现象呢？教师要求学生结合刚刚学习的牛顿第三定律，自己找原因，得结论。学生通过讨论分析思路逐渐清晰，这都是轮与板间的相互摩擦所致，依据两板的运动方向就可应用牛顿第三定律推敲出汽车前、后轮所受摩擦力的方向。上节课遗留的疑惑顺理成章地破解了。教师又不失时机进一步指出，汽车前、后轮所受的摩擦力产生的效果虽然是矛盾、对立的，但又是统一的：当前、后轮所受摩擦力大小相等时，汽车匀速前进，当后轮所受摩擦力大于前轮所受的摩擦力时，汽车加速前进。

上述两例直观的实物演示，倒逼学生深度思考，激发了学生的物理思维，突破了教学的难点。

做俯卧撑、跳高……这都是健身的活儿;

耍鸡蛋、玩飞镖、套公仔……这都是玩游戏;

体温计、电磁炉、摩托车……这都是生活的用具;

盛水的瓶子、遥控小汽车、小飞机……这些都是小孩的玩具;

有人说生活即物理，物理即生活，笔者以为：这就是物理教学的本源！