凸顯從生活走向物理的理念 關注學生能力的提升
——關于粵教版“作用力與反作用力”的教學

周長春

(佛岡中學 廣東 清遠 511600)

“理解牛頓運動定律，用牛頓運動定律解釋生活中的有關問題”是課程標準針對“牛頓運動定律”提出的內容標準．粵教版“作用力與反作用力”是一節探究課，如何提高科學探究的質量，使物理教學更貼近學生生活、聯系社會實際，凸顯從“生活走向物理”、“從常識走向科學”的理念，既關注科學探究學習目標的達成，又關注學生能力的提升，是值得我們研究的新課題．筆者以粵教版的“作用力與反作用力”為例，談談聽課后的點滴思考和教學中的一些具體的做法．

1 傳統教學設計中存在的一些弊端

“作用力與反作用力”一節涉及的知識點少、實驗簡單、效果明顯，因此很多教師選此內容上公開課．但舊教材(人教版)有關作用力與反作用力的情景與實驗對教師的教學設計影響較大．筆者聽過多位高中物理教師上這節的公開課，他們在探究物體間的相互作用的性質和方向時，設計情境或實驗主要有以下三個類似的方法.

實驗一：磁鐵間的相互作用．將兩根U形磁鐵分別放在各自的小車上，同名磁極相對，使兩輛小車盡量靠近，用兩手分別按住它們以保持靜止狀態．當兩手同時放開時，你看到什么現象？

實驗二：彈簧彈開兩輛小車．將一根彈簧夾在兩輛小車之間，用兩手分別推小車壓縮彈簧，并分別按住小車以保持靜止狀態．當兩手同時放開時，你看到什么現象？

實驗三：刷子刷毛間的摩擦．左手拿住乙刷子把手，右手拿住與乙完全相同的甲刷子把手，并將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，觀察合在一起的甲、乙兩把刷子的刷毛的彎曲情況，分析甲、乙兩刷子刷毛間的摩擦．

很明顯，此類實驗模仿舊教材的情景和兩個相互作用的物體對稱的做法．教學實踐表明，探究作用力與反作用力的關系時，實驗或情境采用對稱設計有以下幾個弊端.

第一，此類實驗方案只能說明力是物體間的相互作用，并不能真正地說明作用力與反作用力的關系.

第二，此類方案具有暗示功能，指向性很強，不利于培養學生的能力.采用磁鐵間的相互作用探究作用力與反作用力的方向，其實不需要探究，學生就知道磁鐵間相互作用力的方向相反．事實上，用磁鐵與鐵條做這個實驗，教學的有效性會更好.

第三，實驗二所提供的方案，并不能說明小車之間的相互作用．其實，小車是靠彈簧對小車的彈力而彈開的.實驗三所提供的方案，因為很多教師為了提高實驗效果，特意將刷子的軟毛插入對方，這樣做，除了摩擦阻力，還有形變引起的彈力.

第四，此類方案均采用對稱設計，并不能使學生真正從意義上弄明白作用力與反作用力性質和方向的關系.

第五，此類實驗與生活實際幾乎是脫節的，是典型的從物理模型到物理模型的教學，沒有很好地凸顯“從生活走向物理”的理念.

第六，此類實驗降低了教學的要求，不利于學生能力的提升，且容易使學生誤解不對稱的兩個物體的相互作用，可能不具有相互性．

牛頓第三定律的內容學生記得，但往往在分析或解答相關問題時，不能靈活地加以運用.這說明學生對牛頓第三定律的理解基本上處于記憶層次．

【例】如圖1所示，絕緣長方體B置于水平面上，兩端固定一對平行帶電極板，極板間形成勻強電場E．長方體B的上表面光滑，下表面與水平面的動摩擦因數μ= 0.05(設最大靜摩擦力與滑動摩擦力相同)．B與極板的總質量mB=1.0 kg．帶正電的小滑塊A質量mA=0.60 kg，其受到的電場力大小F=1.2 N．假設A所帶的電荷不影響極板間的電場分布．t=0時刻，小滑塊A從B表面上的a點以相對地面的速度vA=1.6 m/s向左運動，同時，B(連同極板)以相對地面的速度vB=0.40 m/s向右運動．問：

(1)A和B剛開始運動時的加速度大小分別為多少？(g取10m/s2)

(2)若A最遠能到達b點，a、b的距離L應為多少？從t=0時刻至A運動到b點時，摩擦力對B做的功為多少？

圖1

此題系2009年廣東高考物理卷壓卷題，主要考查考生分析帶電滑塊A與絕緣滑板B、帶電極板間的相互作用和相對運動等方面的知識和技能.但在解答過程中，學生只知道電場對帶電滑塊A有力的作用，而沒有意識到帶電滑塊A對產生、激發電場的極板也有力的作用，致使受力情景和運動情景分析錯誤，從而導致解答過程出現連鎖錯誤．造成這種現象的原因有很多，筆者認為最為主要的原因是在新課教學設計中，教師往往采用對稱的實驗設計，且實驗現象的指向性過于明顯，使得探究的力度變小，易于使學生從表面上認識事物．

2 凸顯“從生活走向物理 從物理走向社會”理念的教學設計

學生在初中已學習過力是物體間的相互作用.到了高中階段，隨著學生認知水平和能力的提高，要從更高、更深、更廣闊的自然現象和生活現象入手，引導學生從身邊熟悉的自然現象和生活現象探索和認識物理規律，盡量把認識到的知識和研究方法與生活、生產中的實際事例聯系起來，力求取得更普遍、更準確、更深刻的認識．

“作用力與反作用力”的教學，務必將力的相互性、力的矢量性、作用的同時性巧妙、連貫地設計在各個教學環節當中．

2．1 探究物體間的作用是相互的

提出問題1：當你用力推動桌子時，桌子也推你嗎？

情景再現：先站在地面上用力推動桌子，然后換上旱冰鞋再來推桌子，會看到什么現象？

實驗探究1：探究自行車驅動輪(后輪)的輪胎和地面間的摩擦．

問題導引：地面對自行車驅動輪輪胎的摩擦力是向前還是向后的？自行車對地面有摩擦力的作用嗎？

實驗設計：在平滑臺面上平行放幾支圓柱形鉛筆，上面鋪一塊薄木板．利用一輛玩具四驅車，從木板的右端向左運動，如圖2所示.觀察所發生的現象．旨在說明四驅車與木板之間的摩擦是相互的，木板對小車的摩擦力是向前(向左)的，小車對木板的摩擦力是向后(向右)的．

圖2

歸納小結：對實驗現象進行歸納，由人往前推桌子，同時桌子也往后推人；地面對汽車驅動輪有向前的摩擦力，同時汽車驅動輪對地面也有向后摩擦力等事實，得出力總是“成對”出現的．也就是說，物體間力的作用總是相互的，包括固體、液體、氣體間的相互作用．

討論與交流1：地球以引力“召喚”蘋果，蘋果也吸引地球嗎？

歸納小結：地球吸引蘋果，地球對蘋果施加了力的作用,同時蘋果也吸引地球，蘋果對地球也施加了力的作用．宇宙間的任何物體都始終處在既受力、又施力的狀態中．

物理學中，把物體之間的相互作用稱做力．當人推動桌子對桌子施力的同時，桌子也對人施以作用力.如果把人對桌子的力叫做作用力，那么，桌子對人的力就叫做反作用力．

2．2 探究作用力與反作用力方向的關系

討論與交流2：將一只充氣的球的氣嘴放開，氣球里的空氣迅速噴出，同時氣球向與噴出氣體相反的方向運動．你見過類似的現象嗎？請你與其他同學討論交流．

實驗探究2：探究一對相互作用力方向的關系.

實驗設計：女生站在地板上，男生站在四輪小推車上．女生通過繩子用力拉小推車上的男生，小推車會向前運動．若女生用力握住繩子，男生往后用力拉繩子，小推車也會向前運動．

請學生解釋這種現象.

注意：教學中不宜用重物與水平桌面間的相互作用力，即桌面對重物的支持力與重物對桌面的壓力，大小相等、方向相反來說明作用力與反作用力方向的關系．因為這個結論是作為事實讓學生先接受下來，學生只知其然，并不知其所以然

2．3 探究作用力與反作用力大小的關系

提出問題2：一個高個生和一個矮個生通過繩子對拉，雙方拉力的大小是否相等?

實驗探究3：比較拉力的大小．

實驗設計：為了探究雙方對拉時拉力的大小，可在男生和女生之間加上兩個完全相同的彈簧測力計．實驗分為下列幾個步驟.

(1)讓女生“主動”拉男生；

(2)讓男生“主動”拉女生；

(3)雙方同時施加拉力；

(4)讓女生與穿上溜冰鞋的男生對拉．

歸納小結：無論是一方“主動”施力，還是雙方同時施力；無論男生是靜止的，還是運動的，兩個測力計的示數或伸長量總是相同的．因此，雙方拉力的大小總是相等的．

提出問題3：一只手浸在盛有水的杯中，杯底受到的壓力是否會發生變化？吊扇平穩地轉動時對吊鉤的拉力大，還是靜止不轉時，對吊鉤的拉力大？

實驗探究4：探究浮力的反作用力.實驗裝置如圖3所示．臺秤上放有一杯水，彈簧測力計下掛住一個鐵球，分別讀出兩測力計的示數．將小球浸沒在水中，彈簧測力計的示數怎樣變化？臺秤的示數怎樣變化？二者有什么關系？

圖3

小球在水中所受浮力的大小和方向如何？

分析：彈簧測力計的示數減少，臺秤的示數增加；兩者示數的變化量的絕對值相等．這是因為小球在水中受到豎直向上的浮力，浮力的大小在數值上等于彈簧測力計示數的減少量，同時因小球放入水中，杯底受到的壓力增加；臺秤示數的增加量，與彈簧測力計示數的減少量，在數值上相等．水對鐵球的浮力與鐵球對水的壓力是一對作用力與反作用力，兩者大小相等．

歸納小結：作用力與反作用力總是大小相等；同時產生、同時變化、同時消失(即同時性)．

牛頓對力的相互作用研究后指出，兩個物體之間的作用力和反作用力，總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上．這就是牛頓第三定律．簡單地可以表示為F甲對乙=-F乙對甲．

背景介紹：牛頓，英國物理學家，經典力學的創始人．牛頓第三定律是牛頓研究天體運動的動力學規律——萬有引力定律的關鍵，是牛頓最偉大的貢獻之一．牛頓第三定律揭示了物體之間的相互聯系，使人們不僅可以研究單個物體的運動，而且可以把存在相互作用的各個物體的運動聯系起來進行研究．牛頓第三定律的發現，使物理學研究由地上擴展到了整個宇宙．

討論與交流3：

(1)人教版《物理·必修1》介紹了馬德堡半球實驗，要用16匹馬才能將半球拉開.請討論若用8匹同樣的馬，能將半球拉開嗎？如果能，請說出具體的辦法；如果不能，說明原因．

(2)有人說既然馬拉車的力等于車拉馬的力，那么車為什么還能向前跑起來呢？

(3)既然作用力與反作用力大小相等，方向相反，作用在同一直線上，那么這兩個力會互相抵消嗎？為什么？

2．4 反沖現象

觀察與思考：觀察幾張圖片(圖4和圖5)，歸納這些現象的特征，并用牛頓第三定律分析這一現象產生的原因．

圖4 游泳運動員在比賽中雙手總是奮力向后劃，使自己獲得較大的速度

圖5 章魚是海洋中的軟體動物．它的頭下有一個漏斗，肌肉收縮時就會把外套膜中的水從漏斗噴出，從而使自己向后游去

2．5 用牛頓第三定律解釋現象

【案例1】用牛頓第三定律解釋火箭能升入太空．因為火箭儲存燃料倉內的燃料被點燃后，就會產生急驟膨脹的氣體，倉壁對這部分氣體的作用力，使氣體從火箭尾部噴出，而這個反作用力把火箭推上太空．

【案例2】用牛頓第三定律解釋輪船、螺旋槳飛機以及劃艇獲得動力的原理．

3 點評

用學生常見的生活事例，生動地說明生活中物理無處不在．這些情景的展示，開闊了學生的視野，促使學生不斷地關注社會、關注生活、關注自己身邊發生的事，體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的教學理念，使物體教學與社會生活實際密切結合，教學設計整合了多個版本的課程資源，探究力度大，課堂效果好．

參考文獻

1 人民教育出版社物理室．全日制普通高中教科書·物理(第一冊)．北京：人民教育出版社，2003．54

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