物理教學與ＳＴＳ教育的關系

摘要：本文提出了物理教學與STS教育的關系，論述了物理教學與STS和諧結合的積極效應。通過對體育運動領域三大球類運動中的力學現象剖析，以具體的案例論述了在物理教學中如何進行STS教育的滲透。

關鍵詞：物理教學；STS教育；球類運動；力學現象

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)11(S)-0030-3

1 物理教學與STS教育

我們知道，科學技術如一把“雙刃劍”，在給人類帶來幸福的同時，也將災難降落人間，怎樣才能實現科學技術與人類社會的和諧發展?

在進行力學部分的教學時，涉及運動學、動力學及功與能方面的內容時，若能很好地將教學內容與學生感性認識特別強烈的生活事件聯系起來將會取得很好的效果。我們知道，體育運動中的籃球、排球、足球三大球類運動在中學是相當普及的，在教學過程中既可用物理學原理來分析三大球類運動中的特點和規律，也可以從學生對三大球類運動中的直觀認識中去挖掘物理學原理，這樣就可以做到物理學中有生活，生活中有物理學。下面通過剖析三大球類運動中的力學現象來論證物理教學中的STS滲透。

2 籃球運動中的力學現象

籃球運動因其趣味性、娛樂性、技術性、合作性的社會屬性特點在中學體育運動中相當普及。仔細挖掘和分析籃球運動的特點，可以找出其中蘊含著很多的物理現象。在籃球運動中，球員在處于籃板的兩側進攻時是最易命中的，這在運動中有一個專門的術語叫做“擦板籃”。為什么擦板籃很易進框呢？這可以從籃球與籃板的碰撞來進行分析。如圖1所示，將籃球以恰當的力度以合適的角度擊向籃板中黑色的矩形區域，則球將從籃板上反彈，球則很易入籃框，這可用動量守恒定律來解釋，設籃球的質量為m1，碰前的速度為v1，籃板的質量為m2，碰后籃球的速度為v1′，籃板的速度為v2′。此種情況雖然不是完全滿足動量守恒定律的條件，但是可以如此處理，認為籃板的質量m2遠遠大于球的質量m1，在碰撞過程中若不考慮機械能的損失，則有： v1′=v1， v2′=0 ，且若碰前籃球以與籃板成多大的角度射入，碰后則其以與籃板同樣的角度反彈出來。根據這個力學規律，在投擦板籃時，且又是近距離出手，較易控制好投球時球與籃板的角度及出手的力度，那么就很易讓球進框。

我們知道，美國是全世界的籃球王國，國內職業籃球運動即NBA對全球的影響之大令人嘆服，在NBA中一些職業球員超水平發揮的技能往往也令人嘆為觀止。在NBA中常可見到一種饒有趣味的現象，比如進攻方球員在發后場球時，在終場前不到一秒種的時間內必須出手，那么可能制勝的唯一辦法就是在后場籃框下一接球就將球拋向對方的籃框，而往往有進框命中的情況發生。現在可以大致估測一下該運動員一接球時出手的速度大約為多大時才有可能使球從后場進到前場的框中。標準的籃球場從后場到前場的長度為28m，假設運動員投球時是相對于水平面為53°投出，籃球出手時的高度比籃框的高度低50cm，此種情況可用圖2來表示。若不考慮空氣阻力，則籃球在空中的運動是斜拋體運動，以球出手時為坐標原點，前行的水平方向為x軸，豎直方向為y軸，則球的運動可分解為x方向的勻速直線運動，y方向的豎直上拋運動。x方向所發生的位移為整個球場的長度，即28m；y方向的位移為0.5m。設球初速為v0，則可根據運動規律建立如下方程：

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x=v0cosθt ①；

y=v0sinθt-12gt2 ②

聯立上兩式解得：

v0=g2(xtanθ-y)#8226;xcosθ③

以x=28m，y=0.5m，θ=53°。代入③式得：

v0=17.5m/s。

3 排球運動中的力學現象

排球運動中有一些基本的技術，如“墊球”、“撐球”、“扣球”、“上手發球”、“下手發球”等。運動員將球用雙手墊起的主要作用是將球以平緩下落的狀態送給二傳，以讓二傳有充分的時間組織進攻戰術。排球在空中的運動可近似看作為豎直上拋運動，若忽略空氣阻力，排球在空中的運動為豎直上拋運動。若從球員雙手墊起點的高度彈出的球速度為v0，那么排球下落至拋出點時的速度也應為v0，且排球上升和下落的過程所用的時間各為v0/g。但是，如果計入空氣阻力呢？結果會有何不同呢？顯然，物體的初末速度大小不再相等，因為空氣阻力始終與物體運動方向相反，故做負功。對地球和拋體組成的系統來說，外力只有空氣阻力，根據功能關系，空氣阻力做功為：W=12mv2t-12mv20，且空氣阻力做功W為負功，即W<0，所以有vt

排球運動中的上手發球，球在空氣中的運動近似平拋運動；下手發球時球在空氣中的運動近似斜上拋運動。在排球運動中，最重要的且顯現進攻方的攻擊能力的一項技術莫過于“扣球”了。扣球這項技術在排球運動中相當關鍵，而在網前三米線擊球時，若能掌控好尺度則更為關鍵，若力度小了，球則過不了網；若力度大了，則又會飛出界外，所以球被出擊時所獲得的速度起著關鍵的作用，為此，特對此問題進行詳細而具體的探究。標準排球場的總長為18m，網高為2m，運動員在離網3m處正對網前豎直跳起把球垂直于網水平出擊，設擊球點高度為2.5m，如圖3所示。現在考慮球被水平擊出時在什么范圍內才能使球既不觸網也不出界。在講究攻擊性的同時，其前提條件是不失誤，要做到這一點，一要保證球不觸網，此時排球沿臨界軌跡Ⅰ運行；二要保證球不越出界，此時排球沿臨界軌跡Ⅱ運行。以擊球點的正下方O點為坐標原點，以水平方向為x軸，以豎直方向為y軸建立坐標系，因為是豎直起跳擊球，可將排球的運動軌跡近似看作是平拋運動，根據平拋運動的規律有：

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x=v0t ①；

y=12gt2 ②。

第一種情況，沿著軌跡Ⅰ運動時，排球恰不觸網，x=3m，y=2.5m-2m=0.5m，將x，y值代入得：v0=9.5m/s。

第二種情況，沿著軌跡Ⅱ運動時，排球恰不出界時，運動規律也是平拋運動，僅是x，y值有所變化，x=3m+9m=12m，y=2.5m，將x，y值代入得：v0=17m/s，所以水平擊球后使球既不觸網，也不出界的速度范圍為：9.5m/s≤v0≤17m/s。

4 足球運動中的力學現象

足球運動是運動員主要用腳去踢球（也可用前胸或頭部接觸球，但絕不充許用手去接觸球，否則視為手球犯規）。在足球運動中，也有許多專業術語，比如：“擲界外球”、“發任意球”、“發球門球”、“越位”等。在這項運動中我們探究運動員踢地滾球的情形，運動員用足踢球心后讓球在草地上滾動，考慮在此情況下運動員對足球做功的大小。如圖4所示，設足球的質量為m，被運動員踢后在草坪上滾動了距離S后停下來了，從動力學角度來分析，運動員瞬間作用于足球上的力應該為變力，設為F，在這種情況下，運動員對足球所做的功是否為FS呢？顯然不是，因為恒力所做的功的公式才是W=FScosθ，式中的力F一定是沿著位移S持續作用的恒力，而運動員踢足球的力，是瞬間作用于球上的，故運動員對足球所做的功不是FS。仔細分析，運動員作用于足球上的力，從開始接觸足球到足球發生形變△l，及至足球飛出的過程，運動員對足球的作用力應是變力，而對變力作功的求法，若用功的定義來求，則需借助微積分W=∫Fcosθdl來求。而借助動能定理來求則可避開微積分，動能定理指的是合外力對物體所做的功等于動能的增量，即，W=△EK。而在此種情況中，僅有運動員對球做功，設球離開運動員足時的速度為v，則運動員對足球所做的功為W=12mv2-0=12mv2，若要建立功W與足球在草坪上滾動的距離S的聯系，則需考慮球離開運動員足后在草坪上滾動的情況，在這一階段，合外力做功只有摩擦力做負功，設球與草坪的動摩擦因素為μ，則有：-μmgS=0-12mv2，即μmgS=12mv2，據此可以看出，運動員對足球所做的功可以表示為μmgS，而不是FS。

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再考究守門員發球門球時“開大腳”的情形。在世界杯足球賽上，曾有守門員“開大腳”直接將球踢進對方球門的情形，要直接開進對方球門，守門員對足球要使出多大的力呢？如圖5所示，足球運動場全長為105m，設球從場地上以與水平成θ=45°角作斜上拋運動，初速度為v0，空中飛行時間為T，則有：

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x=v0cosθT ①

y=v0sinθT-12gT2 ②

當y=0時，可解得：v0=gxsin2θ，將相關數據代入可得 ：v0=32.4m/s。

球離開運動員足時的初速度要達到32.4m/s這個值，運動員的足該承受多大的力呢？因為足球形變較大所以相應的時間較長，設運動員足從接觸球到球離開的這個形變過程所用的時間△t=0.5s，設足球受到運動員的足的平均作用力為F，則根據動量定理有：

FΔt=mv0-0，所以有：F=mv0Δt，設足球的質量為400克，將相關數據代入可算得F約為26N。由此可見，守門員要開大腳直接開進對方的球門要使出較大的力氣，幸虧足球的形變較大，所費時間較長，有緩沖的作用，所以運動員也不會因此受傷。

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5 結束語

通過對三大球類運動中的力學現象的分析可以看出，用物理學原理分析了球類運動的一些相關技能的成因及在球類運動中所蘊含的物理知識，其本質就是物理教學生活化，即物理教學應貼近學生的生活，讓學生從自己熟悉的生活現象中探索并認識物理規律。當然，教師適時還應將學生學到的物理知識及科學研究方法與社會實踐及其應用結合起來，使學生體會到物理在生活與生產實際中的應用。教師在講述與物理學的有關知識時，若能很好地與生活中的一些事例聯系起來，進行充分的挖掘與探究，還能激發學生學習物理的極大興趣，培養學生在生活實踐中的創造能力。這里需要指出的是教師在教學中在講清楚物理基本知識的同時，要注意充分挖掘教材中的STS教育因素，通過設計合理的教學過程，在教學的各個環節，把STS教育與知識技能、過程方法、情感態度與價值觀等教學要求和諧地結合起來。

參考文獻:

［1］孟昭輝編著. 物理課程與教學論［M］. 長春：東北師范大學出版社 .2005

［2］魏冰. STS與理科課程改革［J］. 比較教育研究 .1999，（2）

［3］施良方著. 學習論［M］.北京： 人民教育出版社. 1994

(欄目編輯鄧 磊)