凸显从生活走向物理的理念 关注学生能力的提升——关于粤教版“作用力与反作用力”的教学

周长春

(佛冈中学 广东 清远 511600)

“理解牛顿运动定律，用牛顿运动定律解释生活中的有关问题”是课程标准针对“牛顿运动定律”提出的内容标准．粤教版“作用力与反作用力”是一节探究课，如何提高科学探究的质量，使物理教学更贴近学生生活、联系社会实际，凸显从“生活走向物理”、“从常识走向科学”的理念，既关注科学探究学习目标的达成，又关注学生能力的提升，是值得我们研究的新课题．笔者以粤教版的“作用力与反作用力”为例，谈谈听课后的点滴思考和教学中的一些具体的做法．

1 传统教学设计中存在的一些弊端

“作用力与反作用力”一节涉及的知识点少、实验简单、效果明显，因此很多教师选此内容上公开课．但旧教材(人教版)有关作用力与反作用力的情景与实验对教师的教学设计影响较大．笔者听过多位高中物理教师上这节的公开课，他们在探究物体间的相互作用的性质和方向时，设计情境或实验主要有以下三个类似的方法.

实验一：磁铁间的相互作用．将两根U形磁铁分别放在各自的小车上，同名磁极相对，使两辆小车尽量靠近，用两手分别按住它们以保持静止状态．当两手同时放开时，你看到什么现象？

实验二：弹簧弹开两辆小车．将一根弹簧夹在两辆小车之间，用两手分别推小车压缩弹簧，并分别按住小车以保持静止状态．当两手同时放开时，你看到什么现象？

实验三：刷子刷毛间的摩擦．左手拿住乙刷子把手，右手拿住与乙完全相同的甲刷子把手，并将甲刷子的刷毛正合在乙刷子的刷毛上面，稍稍用力推、拉甲刷子的把手，观察合在一起的甲、乙两把刷子的刷毛的弯曲情况，分析甲、乙两刷子刷毛间的摩擦．

很明显，此类实验模仿旧教材的情景和两个相互作用的物体对称的做法．教学实践表明，探究作用力与反作用力的关系时，实验或情境采用对称设计有以下几个弊端.

第一，此类实验方案只能说明力是物体间的相互作用，并不能真正地说明作用力与反作用力的关系.

第二，此类方案具有暗示功能，指向性很强，不利于培养学生的能力.采用磁铁间的相互作用探究作用力与反作用力的方向，其实不需要探究，学生就知道磁铁间相互作用力的方向相反．事实上，用磁铁与铁条做这个实验，教学的有效性会更好.

第三，实验二所提供的方案，并不能说明小车之间的相互作用．其实，小车是靠弹簧对小车的弹力而弹开的.实验三所提供的方案，因为很多教师为了提高实验效果，特意将刷子的软毛插入对方，这样做，除了摩擦阻力，还有形变引起的弹力.

第四，此类方案均采用对称设计，并不能使学生真正从意义上弄明白作用力与反作用力性质和方向的关系.

第五，此类实验与生活实际几乎是脱节的，是典型的从物理模型到物理模型的教学，没有很好地凸显“从生活走向物理”的理念.

第六，此类实验降低了教学的要求，不利于学生能力的提升，且容易使学生误解不对称的两个物体的相互作用，可能不具有相互性．

牛顿第三定律的内容学生记得，但往往在分析或解答相关问题时，不能灵活地加以运用.这说明学生对牛顿第三定律的理解基本上处于记忆层次．

【例】如图1所示，绝缘长方体B置于水平面上，两端固定一对平行带电极板，极板间形成匀强电场E．长方体B的上表面光滑，下表面与水平面的动摩擦因数μ= 0.05(设最大静摩擦力与滑动摩擦力相同)．B与极板的总质量mB=1.0 kg．带正电的小滑块A质量mA=0.60 kg，其受到的电场力大小F=1.2 N．假设A所带的电荷不影响极板间的电场分布．t=0时刻，小滑块A从B表面上的a点以相对地面的速度vA=1.6 m/s向左运动，同时，B(连同极板)以相对地面的速度vB=0.40 m/s向右运动．问：

(1)A和B刚开始运动时的加速度大小分别为多少？(g取10m/s2)

(2)若A最远能到达b点，a、b的距离L应为多少？从t=0时刻至A运动到b点时，摩擦力对B做的功为多少？

图1

此题系2009年广东高考物理卷压卷题，主要考查考生分析带电滑块A与绝缘滑板B、带电极板间的相互作用和相对运动等方面的知识和技能.但在解答过程中，学生只知道电场对带电滑块A有力的作用，而没有意识到带电滑块A对产生、激发电场的极板也有力的作用，致使受力情景和运动情景分析错误，从而导致解答过程出现连锁错误．造成这种现象的原因有很多，笔者认为最为主要的原因是在新课教学设计中，教师往往采用对称的实验设计，且实验现象的指向性过于明显，使得探究的力度变小，易于使学生从表面上认识事物．

2 凸显“从生活走向物理 从物理走向社会”理念的教学设计

学生在初中已学习过力是物体间的相互作用.到了高中阶段，随着学生认知水平和能力的提高，要从更高、更深、更广阔的自然现象和生活现象入手，引导学生从身边熟悉的自然现象和生活现象探索和认识物理规律，尽量把认识到的知识和研究方法与生活、生产中的实际事例联系起来，力求取得更普遍、更准确、更深刻的认识．

“作用力与反作用力”的教学，务必将力的相互性、力的矢量性、作用的同时性巧妙、连贯地设计在各个教学环节当中．

2．1 探究物体间的作用是相互的

提出问题1：当你用力推动桌子时，桌子也推你吗？

情景再现：先站在地面上用力推动桌子，然后换上旱冰鞋再来推桌子，会看到什么现象？

实验探究1：探究自行车驱动轮(后轮)的轮胎和地面间的摩擦．

问题导引：地面对自行车驱动轮轮胎的摩擦力是向前还是向后的？自行车对地面有摩擦力的作用吗？

实验设计：在平滑台面上平行放几支圆柱形铅笔，上面铺一块薄木板．利用一辆玩具四驱车，从木板的右端向左运动，如图2所示.观察所发生的现象．旨在说明四驱车与木板之间的摩擦是相互的，木板对小车的摩擦力是向前(向左)的，小车对木板的摩擦力是向后(向右)的．

图2

归纳小结：对实验现象进行归纳，由人往前推桌子，同时桌子也往后推人；地面对汽车驱动轮有向前的摩擦力，同时汽车驱动轮对地面也有向后摩擦力等事实，得出力总是“成对”出现的．也就是说，物体间力的作用总是相互的，包括固体、液体、气体间的相互作用．

讨论与交流1：地球以引力“召唤”苹果，苹果也吸引地球吗？

归纳小结：地球吸引苹果，地球对苹果施加了力的作用,同时苹果也吸引地球，苹果对地球也施加了力的作用．宇宙间的任何物体都始终处在既受力、又施力的状态中．

物理学中，把物体之间的相互作用称做力．当人推动桌子对桌子施力的同时，桌子也对人施以作用力.如果把人对桌子的力叫做作用力，那么，桌子对人的力就叫做反作用力．

2．2 探究作用力与反作用力方向的关系

讨论与交流2：将一只充气的球的气嘴放开，气球里的空气迅速喷出，同时气球向与喷出气体相反的方向运动．你见过类似的现象吗？请你与其他同学讨论交流．

实验探究2：探究一对相互作用力方向的关系.

实验设计：女生站在地板上，男生站在四轮小推车上．女生通过绳子用力拉小推车上的男生，小推车会向前运动．若女生用力握住绳子，男生往后用力拉绳子，小推车也会向前运动．

请学生解释这种现象.

注意：教学中不宜用重物与水平桌面间的相互作用力，即桌面对重物的支持力与重物对桌面的压力，大小相等、方向相反来说明作用力与反作用力方向的关系．因为这个结论是作为事实让学生先接受下来，学生只知其然，并不知其所以然

2．3 探究作用力与反作用力大小的关系

提出问题2：一个高个生和一个矮个生通过绳子对拉，双方拉力的大小是否相等?

实验探究3：比较拉力的大小．

实验设计：为了探究双方对拉时拉力的大小，可在男生和女生之间加上两个完全相同的弹簧测力计．实验分为下列几个步骤.

(1)让女生“主动”拉男生；

(2)让男生“主动”拉女生；

(3)双方同时施加拉力；

(4)让女生与穿上溜冰鞋的男生对拉．

归纳小结：无论是一方“主动”施力，还是双方同时施力；无论男生是静止的，还是运动的，两个测力计的示数或伸长量总是相同的．因此，双方拉力的大小总是相等的．

提出问题3：一只手浸在盛有水的杯中，杯底受到的压力是否会发生变化？吊扇平稳地转动时对吊钩的拉力大，还是静止不转时，对吊钩的拉力大？

实验探究4：探究浮力的反作用力.实验装置如图3所示．台秤上放有一杯水，弹簧测力计下挂住一个铁球，分别读出两测力计的示数．将小球浸没在水中，弹簧测力计的示数怎样变化？台秤的示数怎样变化？二者有什么关系？

图3

小球在水中所受浮力的大小和方向如何？

分析：弹簧测力计的示数减少，台秤的示数增加；两者示数的变化量的绝对值相等．这是因为小球在水中受到竖直向上的浮力，浮力的大小在数值上等于弹簧测力计示数的减少量，同时因小球放入水中，杯底受到的压力增加；台秤示数的增加量，与弹簧测力计示数的减少量，在数值上相等．水对铁球的浮力与铁球对水的压力是一对作用力与反作用力，两者大小相等．

归纳小结：作用力与反作用力总是大小相等；同时产生、同时变化、同时消失(即同时性)．

牛顿对力的相互作用研究后指出，两个物体之间的作用力和反作用力，总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上．这就是牛顿第三定律．简单地可以表示为F甲对乙=-F乙对甲．

背景介绍：牛顿，英国物理学家，经典力学的创始人．牛顿第三定律是牛顿研究天体运动的动力学规律——万有引力定律的关键，是牛顿最伟大的贡献之一．牛顿第三定律揭示了物体之间的相互联系，使人们不仅可以研究单个物体的运动，而且可以把存在相互作用的各个物体的运动联系起来进行研究．牛顿第三定律的发现，使物理学研究由地上扩展到了整个宇宙．

讨论与交流3：

(1)人教版《物理·必修1》介绍了马德堡半球实验，要用16匹马才能将半球拉开.请讨论若用8匹同样的马，能将半球拉开吗？如果能，请说出具体的办法；如果不能，说明原因．

(2)有人说既然马拉车的力等于车拉马的力，那么车为什么还能向前跑起来呢？

(3)既然作用力与反作用力大小相等，方向相反，作用在同一直线上，那么这两个力会互相抵消吗？为什么？

2．4 反冲现象

观察与思考：观察几张图片(图4和图5)，归纳这些现象的特征，并用牛顿第三定律分析这一现象产生的原因．

图4 游泳运动员在比赛中双手总是奋力向后划，使自己获得较大的速度

图5 章鱼是海洋中的软体动物．它的头下有一个漏斗，肌肉收缩时就会把外套膜中的水从漏斗喷出，从而使自己向后游去

2．5 用牛顿第三定律解释现象

【案例1】用牛顿第三定律解释火箭能升入太空．因为火箭储存燃料仓内的燃料被点燃后，就会产生急骤膨胀的气体，仓壁对这部分气体的作用力，使气体从火箭尾部喷出，而这个反作用力把火箭推上太空．

【案例2】用牛顿第三定律解释轮船、螺旋桨飞机以及划艇获得动力的原理．

3 点评

用学生常见的生活事例，生动地说明生活中物理无处不在．这些情景的展示，开阔了学生的视野，促使学生不断地关注社会、关注生活、关注自己身边发生的事，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念，使物体教学与社会生活实际密切结合，教学设计整合了多个版本的课程资源，探究力度大，课堂效果好．

参考文献

1 人民教育出版社物理室．全日制普通高中教科书·物理(第一册)．北京：人民教育出版社，2003．54

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6 课程教材研究所．普通高中课程标准实验教科书·物理1．北京：人民教育出版社，2006．81～82