學(xué)以致用——幾則物理知識應(yīng)用的案例

曹新峰 孫建忠

(1.浙江省海寧市馬橋中學(xué),浙江海寧 314400;2.浙江省海寧市高級中學(xué),浙江 海寧 314400)

新課程開展以來,如何有效地提高教學(xué)效果,這是一個非常重要的課題,新教材重視“過程”目標(biāo)的落實(shí),重視“情感”目標(biāo)的體現(xiàn),重視聯(lián)系學(xué)生的生活、社會實(shí)踐和現(xiàn)代科技.仔細(xì)研究我們就會發(fā)現(xiàn),家庭、學(xué)校、社會都有大量學(xué)生感興趣的物理問題,如家用電器、汽車、通信工具、節(jié)能減排等.教師要在教材的基礎(chǔ)上通過“再創(chuàng)造”,把這些與學(xué)生的生活聯(lián)系密切相關(guān)的事物引入物理課,就會增加學(xué)生對物理的親切感,感受物理學(xué)科“認(rèn)識自然,推動社會發(fā)展”的特有魅力.從而把物理學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)在需求,提高教學(xué)效果.

案例1.利用小孔成像估測太陽直徑

學(xué)習(xí)了光的直線傳播以后,學(xué)生在校園里找到了樹葉下一個個圓形的光斑,心情都很欣喜.于是筆者就想到,能不能再布置一個實(shí)驗(yàn)案例,讓學(xué)生去做,利用光的直線傳播的原理解決一個“震撼”一點(diǎn)的問題,從而深切體會到物理學(xué)科的魅力.為此筆者要求學(xué)生做“利用小孔成像估測太陽直徑”的實(shí)驗(yàn).

有關(guān)實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)如下:

在中午的時候可以利用教室走廊做這個實(shí)驗(yàn),可以使像成在坐標(biāo)紙上.(開小孔的紙板要盡量大一些,這樣地面的亮度低,可以使得太陽的像更清楚一些),如圖1所示,地球到太陽的距離為 d=1.5×108m.離地面 h=1 m高處(也可更高一些)用一硬紙開一小孔.觀察地面上觀察到像的大小為.

圖1

利用相似形知識,可以得到太陽的直徑為

現(xiàn)代科學(xué)測定,太陽的半徑為6.90×108m.這個實(shí)驗(yàn)如果仔細(xì)地做,會得出誤差小于5%的數(shù)值.

這個實(shí)驗(yàn)學(xué)生分小組來做,完成得很好,經(jīng)歷了美妙的探究過程,學(xué)生是這樣評價的:實(shí)際數(shù)值和實(shí)驗(yàn)計算很好地相符.一個小孔成像竟能估算出太陽的直徑,“小實(shí)驗(yàn)、大作用”,物理真是太神奇太偉大了!

案例2.估算浙江新安江水電站的年發(fā)電量

這一案例是學(xué)習(xí)了做功和能量轉(zhuǎn)化以后布置給學(xué)生的一應(yīng)用案例,學(xué)生必須運(yùn)用所學(xué)功和能量轉(zhuǎn)化的知識,再根據(jù)地理的知識(查地圖、根據(jù)比例算流域面積)進(jìn)行研究;研究過程中需要收集各種資料(包括應(yīng)用因特網(wǎng)查閱資料).有些學(xué)生的方案是總庫容中220億m3的水全部轉(zhuǎn)化為電能,經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn)是錯誤的,而應(yīng)該是將該流域中常年降水量作為水的體積,最后得出的結(jié)論才和實(shí)際相符.這一課題的研究,使學(xué)生的探究能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力得到很大的提高.

分析過程如下:

如圖2所示,新安江水電站的流域面積約為 4.4×3×104×3.3×3×104m2.該地區(qū)的年降水量約1 400 mm.該地區(qū)的年蒸發(fā)量約400 mm.則該地區(qū)的年蓄水體積為

平均水位落差為80 m.

新安江一年蓄水所做的功為

圖2

假設(shè)其轉(zhuǎn)化的效率約為65%,則其實(shí)際轉(zhuǎn)化為電能的有

所以新安江水電站的年發(fā)電量為

(http://traveller.info.hz.zj.cn/hangzhou/jiande/xajsdc/xajsdc.htm網(wǎng)上查閱為19億度)

筆者將這一課題布置給學(xué)生,要求將研究成果寫成論文,并進(jìn)行評比展覽,學(xué)生的積極性很高,并鞏固了所學(xué)的知識,也培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力、合作意識、創(chuàng)新能力等.在實(shí)踐中筆者體會到,考慮到學(xué)生的知識水平,教師應(yīng)適當(dāng)多一些指導(dǎo)以便讓學(xué)生成功,盡量和課本的相關(guān)知識結(jié)合,使學(xué)生能體會探究的過程、成功的喜悅.

案例3.計算并測定燒一壺水的時間和所用電能

學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中,總會遇到一些“臺階”,例如在進(jìn)行電路學(xué)習(xí)時,學(xué)生往往因?qū)W習(xí)困難而產(chǎn)生一種對物理學(xué)習(xí)心理上的距離,如何有效幫助學(xué)生樹立學(xué)習(xí)的興趣和信心呢?筆者堅信“學(xué)以致用”是高效的教學(xué)!因此筆者布置一些應(yīng)用性的觀察和實(shí)驗(yàn),例如,研究家用電器的說明書、家用電器的電功分析、燒一壺水的時間和所用電能等.關(guān)鍵是要求學(xué)生去做,以下是一學(xué)生上交的“燒一壺水的時間和所用電能”一些數(shù)據(jù).

有關(guān)數(shù)據(jù)分析過程:

測出一壺水的質(zhì)量(可以量直徑,算體積,教師要作適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo))

(1)直徑:d=0.2 m.

(2)高度:h=0.1 m.

(4)質(zhì)量:m=ρ V=3.14 kg.

(5)燒開所需的熱量為

(6)設(shè)熱效率為90%(燒水時要散熱)

在教師的布置下,幾乎每個學(xué)生都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(來源于生活,實(shí)驗(yàn)很方便),特別是當(dāng)理論計算和實(shí)際燒水的時間很好地相符時,學(xué)生們都很興奮,用學(xué)生的話說:本來一些公式感到很枯燥,通過應(yīng)用以后覺得這些公式很有用,很親切.有的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的時候還和家長一起研究,孩子的探究過程得到了家長的贊許和勉勵,學(xué)生在情感上很有成就感和滿足感.親身實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)有助于學(xué)生樹立節(jié)能意識,同時這個實(shí)驗(yàn)很好地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、鞏固了物理知識.

案例4.估算排量為1.6 L轎車以60 km/h行駛100 km耗油量

現(xiàn)在汽車越來越普及,據(jù)調(diào)查學(xué)生中很多家庭都有汽車,那么是不是可以利用所學(xué)的物理知識來一次“親密接觸”,為此筆者選了一個我們所有人都很關(guān)心的問題:汽車100 km耗油量.為此筆者和學(xué)生一起通過各種資源進(jìn)行了分析研究(汽車使用說明書、汽車網(wǎng)站、4S維修店專業(yè)人員等).

有關(guān)分析數(shù)據(jù)如下:

排量為1.6 L汽車的額定功率約為80 kW,以60 km/h水平行駛時實(shí)際功率約為20 kW(這是從東風(fēng)標(biāo)致汽車4S店專業(yè)人員中了解到的知識).

所消耗能量為 W=Pt=1.2×108J.汽油機(jī)的效率約為 η=30%.所需要的總能量為 E=4.0×108J.汽油的燃燒值約q=3.45×107J/L.100 km耗油為

對這個探究案例,學(xué)生都很積極,因?yàn)槟茉磫栴}、節(jié)能減排是現(xiàn)代社會的熱點(diǎn).汽車平時又和學(xué)生的生活很密切.以往他們都是從其他方面得到的油耗信息,通過探究,當(dāng)他們完全可以用自己所學(xué)的知識得到結(jié)論時,學(xué)生們都感覺收獲的很大,這其中對教師也是一個學(xué)習(xí)過程(例如汽車的實(shí)際功率和速度的關(guān)系).這是一個很成功的案例,學(xué)生深切感受到了物理學(xué)科的魅力.

“學(xué)以致用”,這是一個樸素的教學(xué)思想,它能夠讓學(xué)生深切地感受到物理學(xué)習(xí)的樂趣,它能夠切實(shí)有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.在新課程理念的指導(dǎo)下,教師引導(dǎo)學(xué)生將物理知識應(yīng)用到生活生產(chǎn)實(shí)際,去分析解決實(shí)際的問題,能極大地調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和潛能,這是一種非常有效的教學(xué)方式.因此,開發(fā)和開展物理知識應(yīng)用的案例,讓學(xué)生真正去實(shí)踐,這是提高教學(xué)效果的一個重要途徑.

1 蔡鐵權(quán).物理教學(xué)叢書?基礎(chǔ)教育課程改革視野下的中學(xué)物理教學(xué).北京:科技出版社,2005.

2 袁運(yùn)開,趙錚,余自強(qiáng).科學(xué)(7-9年級)課程標(biāo)準(zhǔn)解讀.武漢:湖北教育出版社,2002. (收稿日期:2010-01-20)