物理教学中要加强物理原始问题的训练

王建忠

(江苏省启东中学 江苏 南通 226200)

1 问题的由来

赵凯华教授指出：“在教学中，同一问题既可以把原始的物理问题给学生，也可以由教师把原始的物理问题分解或抽象成一定的数学模型后再提供给学生．习惯于解后一类问题的学生，在遇到前一类的问题时，往往会不知所措．”这里，赵凯华教授把物理问题分成两种形式，前者可认为是“物理原始问题”，后者称为物理习题．所谓“物理原始问题”，是指自然界及社会生产、生活中客观存在的，能够反映物理概念、规律且未被加工过的典型物理现象和物理事实．传统的物理习题，往往与真实的物理现象相脱离．学生总是围绕小球、木块、轻绳、弹簧、斜面、点电荷、理想气体等对象，感受不到物理现象真实鲜活的一面．当下中学物理教学的现状是传统习题训练有余，而物理原始问题训练不足．久而久之将影响学生创造性思维的发展．因此，应打破传统习题一统天下的局面，通过引进原始问题逐步使习题教学与原始问题教学相结合，提高学生解决实际问题的能力[1,2]．

2 物理原始问题例析

2.1 生活中的物理问题

在生活中，有许许多多的物理现象．如果我们掌握了必要的物理知识，则不仅能解释这些现象，也能利用它们为人类服务．

【例1】吹气与呵气是人的一个习惯性动作．当手被高温物体烫着时，会下意识地对手吹气使其冷却；冬天感到手冷时对手呵气使手暖和.二者都是口腔中与人体等温的气体，为什么吹气可冷而呵气可暖呢？

解析：这是一个气体状态变化的问题．主要有二个原因．原因之一，吹气与呵气涉及两个不同的气体状态变化过程．吹气时，口腔先将其中气体压缩，然后快速排出，气体排出后，压强减小体积增大，气体对外做功，这个过程进行得很快，来不及与外界交换热量，可近似认为是绝热过程，气体因对外做功而内能减少，温度降低，因此吹在手上感受到凉爽．呵气时，口腔将其中与人体等温的气体轻轻排出，这是一个等温过程，冬天暴露在外的手的温度比人的体温低，冷手接触到呵气后自然感到暖和．原因之二，与水蒸气有关．吹气时皮肤表面的气流速度增大，加速皮肤表面水分的蒸发，水蒸气蒸发吸热，达到降温的目的；冬天对手呵气时，从口腔中出来的气体速度较慢，呵出的气体与人体皮肤相遇时，水蒸气在皮肤表面液化，放出的热量被皮肤吸收，因此感到暖和．

【例2】秋、冬季的夜晚脱衣服时经常看到火花，说明脱衣服时衣服相互摩擦产生的静电电压高到将空气击穿，为什么能产生如此高的静电电压？

【例3】在船离岸距离一样的情况下，人从大船上跳上岸容易还是从小船上跳上岸容易？证明你的猜想．

解析：从大船上跳上岸容易．可用极端推理法定性分析.人向岸跳出过程，船要反冲，跳船过程中，人做的功等于人和船增加的动能．当船的质量趋于无穷时，船反冲速度为零，人所做的功就等于人增加的动能．这种情况下，跳离过程中人做功最少，因此，人从大船上跳上岸容易．

设船的质量为M，人的质量为m，不计水对船及空气对船和人的阻力，为使问题简化，可设人以水平速度v跳离船，船的反冲速度为u．由动量守恒定律，有

mv-Mu=0

跳离过程中人做的功为

物理课堂要架起物理与生活的桥梁，创设由物理到生活，再由生活到物理的探究情境，增加学生对教材的理解深度和广度，促进物理知识在生产和生活中的应用.

2.2 体育运动中的物理问题

体育运动由于其健体强身的作用和惊险刺激的过程，成为一项大众项目．我们平时进行各种各样的体育活动，每一项体育运动中都渗透着物理知识．

【例4】乒乓球是中国的国球，一代又一代的乒乓球运动员为国家争得了巨大荣誉．运动员发现，无论乒乓球拍是硬板还是粘上海棉胶皮，猛烈抽打和轻推情形下乒乓球与球拍接触的时间一样，请用物理知识解释这一现象．

解析：硬板球拍和粘上海棉的球拍，接球过程中球拍和球的形变情况不同．对于粘上海棉的球拍，球拍与球碰撞过程中球拍的形变是主要的，可简化成这样的过程模型，即弹簧的一端固定在墙上，球以一定的速度向弹簧运动并压缩弹簧，如图1．球拍与球接触的过程是球将弹簧压缩至最短再恢复到原长的过程.这一过程可抽象为一弹簧振子振动的半个周期.对于硬板球拍，球的形变是主要的，可简化成这样的过程模型,即球上固定一弹簧向固定的墙运动，如图2.球与球拍接触的过程同样可抽象为一弹簧振子振动的半个周期．猛烈抽打和轻推，相当于振子经过平衡位置的速度不同，振动的振幅不同，而弹簧振子的振动周期由振动系统本身的性质决定(这里由球、球拍的性质决定)，与振幅无关，因此，无论乒乓球拍是硬板还是粘上海棉胶皮，猛烈抽打和轻推情形下乒乓球与球拍接触的时间都一样．

图1

图2

杨振宁先生认为：“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算．演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的．绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源．一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作，但是他容易误入形式主义的歧途,他对物理学的了解不会是切中要害的．”

2.3 杂技表演中的物理问题

杂技演员表演的节目丰富多彩，具有很高的欣赏价值，当我们用物理学的眼光去看杂技表演时，不但会发现许多有趣的物理问题，还会明白许多惊险表演的诀窍．

【例5】顶杆是杂技表演中的一个传统节目，演员用身体的某一部位支撑一长杆，杆的顶端托着重物，在舞台上晃晃悠悠地移动．为什么要用长杆？

图3

解析：可以构建这样的物理模型．如图3，长为L的轻杆，上端固定一质量为m的小球，下端支撑在固定点O，不计空气阻力．当杆由竖直位置开始转过θ角度时，小球的速度为v，由机械能守恒定律可知

此时杆的角速度为

可以看出，杆子越长，转过相同角度时杆的角速度越小，说明杆倾倒越慢；若转过相同的角度，所用时间就越长，下面的演员就有足够的时间来调整支点的位置，使其保持平衡．

如果杆的质量不能忽略，系统的重心离支点O近一些，等效杆长变小，表演将困难些．因此，杆子长一点、质量小一点容易表演．利用长杆一方面是为了增强观赏性，另一方面容易表演成功．

学习的目的在很大程度上是利用所学过的知识去解决新的问题，达到学以致用的目的．解决实际问题的过程，对学生来讲就是创新的过程，在解决实际问题的过程中，创新能力和素质不断地得到提高．

2.4 交通运输中的物理问题

各种各样的交通工具为我们现代生活和生产带来了极大的方便，现代交通中的许多问题都跟物理知识有关．

【例6】“十次车祸九次快”，此话道出了超速行驶是安全行车的大敌这一道理，测速对于交通安全来说就成了一项非常重要的工作 ．图4是在公路上用车载超声波测速仪测量车速的示意图．如果警车的速度v0=10 m/s，得到的扫描图线如图5所示，那么汽车的速度v1是多少？已知超声波测速仪每秒发出1个超声波脉冲，超声波速度vS=340 m/s，图中P1,P2是发射的脉冲，n1,n2是接收到的反射波．

图4 车载超声波测速仪测量车速示意图

图5 车载超声波测速仪测得扫描图线

图6 测速仪测速过程的位置示意图

解析：如图6所示,P1,n1,P2,n2对应于图5中4个点，C1,C2是超声波脉冲P1,P2传到待测汽车时待测汽车的位置，x1,x2分别是发出P1,P2脉冲时测速仪与待测汽车间的距离，l1,l2分别是测速仪发出两个脉冲到接收到反射波时间Δt1,Δt2内测速仪前进的距离，有

2x1-l1= 2x1-v0Δt1=vSΔt1

由图5可知

代入数据得

x1=70 m

同理

2x2-l2=2x2-v0Δt2=vSΔt2

由图5可知

得

x2=52.5 m

设超声波测速仪发射超声波脉冲的周期为T，待测汽车两次反射超声波脉冲的时间内汽车行驶的距离为

Δs=x1-x2-v0T

代入数据得

Δs=7.5 m

所用时间为

代入数据得

Δt=0.95 s

待测汽车的速度为

代入数据得

v1=7.9 m/s

【例7】(1)我国的高速公路四通八达．晴天汽车在高速公路上行驶时,在前方一定距离以外，你可能会看到似乎存在一片“水面”，当你靠近“水面”时，“水面”也跟着后退，总保持“水面”与你的距离不变，试用文字说明其原因．

(2)对于(1)中所描述的现象，试利用下列数据估算由人到“水面”的距离．设两眼到地面竖直距离为h=1.6 m，空气在温度为t0=15℃，正常大气压时折射率为1.000 276，假定1 m以上空气温度为t1=30℃，地面的温度为t=60℃，大气压为正常大气压，以n为折射率，且(n-1)与空气密度成正比．

解析:(1)由于太阳的辐射，地面与眼睛处的空气相比，地面空气温度高，折射率较小．当入射角大于临界角时将发生全反射，某一距离以相对水平面较小的角度向下看时，会看到像水一样的蓝色天空；如果位置改变，只要温度不变，空气的折射率不变，发生全反射的临界角不变，所以,“水面”到眼睛的距离也不变，“水面”相随而移动．

图7

(2)用t表示地面温度，s表示人到“水面”的距离，如图7，对于全反射有

而

由气体的等压变化规律，ρT=常数(式中ρ为气体的密度，T为气体的热力学温度)，得

T1ρ1=T0ρ0=Tρ

并有

代入数据得

tanα=145.5

s=233 m

我国著名物理教育家朱正元教授曾说过：“物理、物理，就是要研究物理现象的道理，要讲清它的道理，就必须要就物说理 ．”让学生在神奇的自然现象和奇妙的生活面前认识物理科学方法，同时将学到的物理方法与社会实践及其应用结合起来，让他们体会在生产、生活中的实际应用，不仅可以增加学生的乐趣，还将培养学生良好的思维习惯和科学探究能力．

3 结束语

从上面的例子看出，物理原始问题具有客观性、复杂性和已知条件的隐蔽性，经分解、简化和抽象后能找出一个合理的物理模型，并运用已知的物理知识解决．解决物理原始问题的一般过程是,将具体问题中的实体构建成对象模型，将实际问题情境构建成过程模型，根据过程所遵循的物理规律，构建数学模型．

物理课程标准中提到，“关注物理学与其他学科的联系，知道一些与物理学相关的领域，能尝试运用有关的物理知识和技能解释一些自然现象和生活中的问题．”强调原始问题教学并不是完全排斥传统习题教学，否定传统习题教学的价值，而是主张在保留传统习题教学优点的同时，根据教学的需要选择数量合适的物理原始问题供学生练习，扬各自之长，避彼此之短，既可以使学生有效地学习物理知识，掌握科学方法，训练物理技能，培养实事求是的科学态度，又能较好地培养学生的创造能力，有效达成三维目标．

参考文献

1 邢红军．原始物理问题教学．人教网，2011-11-01

2 王建忠．物理教学中要注重定性分析能力的培养．物理教学，2007(06)：18～19