潮汐現象與三步教學法的應用

張啟迪 賈偉堯

(西南大學物理科學與技術學院 重慶 400715)

1 問題的提出

“潮汐”現象在當今已經不是什么神秘的事情，潮汐發電經過幾十年的發展也已經被很多人所熟知.但是很多人,包括部分高中生對“潮汐”現象還仍然停留在“熟悉”的階段，對其成因等并沒有深刻地了解.我國中學物理教材，也經常可以看到潮汐現象的身影.例如北師大版《九年級物理義務教育課程標準實驗教科書》和人教出版的《全日制普通高級中學教科書物理(必修加選修)·第二冊》中都提到了利用“潮汐”現象進行能量轉換發電.但如何對潮汐現象等常見物理現象進行有效教學，使學生真正掌握與其相關的物理知識，是一個值得研究的問題.在此， 筆者提出用 “三步教學法”來講解潮汐現象，以期對廣大讀者在進行常見物理現象教學時，有一定的幫助.

2 “三步教學法”在潮汐現象講授中的應用

2.1 步驟一：創設物理情境了解基本物理現象

該步驟旨在讓剛剛接觸新物理現象的學生建立一個比較清晰的物理情境，知道在此現象中所涉及到的物理學領域.我們可以在教學中初步分析地球的受力，明確地球受到了太陽和月球的引力，而月球的引力起到主導作用，所以地球在兩個力的作用下要發生形變，從而產生了潮汐現象，即太陽和月球對地球的萬有引力是產生此物理現象的本源.

2.2 步驟二：定性分析物理情境進行物理建模

該步驟不僅立足于分析地球在形成潮汐中的基本受力情況，還要著眼于定性分析潮汐現象的具體表現形式，即解釋高潮、潮汐周期和大、小潮等物理現象.在解釋這些物理現象的過程中切忌單純的理論推導，而應當著眼于學生頭腦中物理圖像的形成.可以借鑒國外教材《Science Explorer》[1]天文學分冊中對該部分知識的講解.

圖1

如圖1所示，地球相對于月球有近月點A和遠月點B，月球對于A點的引力要大于作用在B點的引力，所以對于A點的海水有更大的被拉向月球的趨勢.因此在A點附近的海水一部分涌向A點，在A點也就形成了高潮現象.在B點有著比A點小的月球引力，而地球作為一個除去B點附近海水的整體，被比較強烈地向月球方向吸引，可看作B點及其附近海水被“落下”，因此在B點也形成了另外一個高潮.因高潮的形成，海水通過流動向高潮發生處涌動，在C和D兩點海水變少，于是形成了低潮.因此每次潮汐現象出現都會在地球上的不同地方出現兩個高潮和兩個低潮.又由于地球的自轉，所以地球的不同地方發生高潮和低潮呈現出了周期性變化的規律，兩次形成高潮的時間間隔被稱為潮汐周期[1].在這個階段主要是對于潮汐現象有關的物理模型進行定性分析，同時通過思維抽象，初步構建物理模型.

2.3 步驟三：完善物理模型進行相關數學計算

例如,可以通過分析太陽和月球對于地球的引力差異來分析誰的引力是形成潮汐現象的主要原因.已經知道太陽到地球與地球到月球的距離的比值約為390，月球繞地球旋轉的周期約為27天.利用上述數據及日常的天文知識，即可估算出太陽對月球與地球對月球的萬有引力的比值.這是比較簡單的運算.當然還可以對基礎較好或者有望參加物理競賽的學生拓展講解潮汐現象形成根本原因“引潮力”的計算.如圖2所示，各量如圖標示，計算任意位置處的引潮力.可進行如下拓展講解.

圖2

海水質元Δm受到月球的引力為

其中r2=d2+R2-2dRcosθ，海水質元Δm受的慣性力等于把它放到地心C處時所受引力的負值，即

引潮力為F引和F慣的矢量和，即

F潮=F引+F慣

利用正交分解法以及幾何關系可知

同理可推得

3 常見物理現象“三步教學法”的實踐心得與體會

任何一個新知識的習得都有一定的過程;這種過程如果符合認知學的規律，那么學習者就比較容易在短時間內對掌握所學內容.日常生活中常見物理現象教學的“三步教學法”的精髓就是遵循由易到難，循序漸進的認知學規律來構建教學內容的.

第一步，構建學生頭腦中對一個物理現象的感性認識，此種現象中有哪些分析對象，并初步了解該物理現象中所涉及的物理學領域.

第二步，主要是對形成這種現象的原因進行定性分析.這是教學中不容忽視的一步，它是幫助學生在頭腦中進行物理建模，形成物理圖像的重要過程.因此，該步對于學生在以后解答與實際情境相關的問題中所用到的抽象物理模型的能力是息息相關的.其目的也是在引導學生鍛煉其物理建模能力.

第三步，主要關系到抽象出的物理模型的定量計算問題.一般對于較復雜的抽象模型，計算比較復雜.在歷屆高考題、競賽題中有很多此類型的大型計算題[3]，難度較大，因此可以根據具體的物理現象和具體的學習群體有選擇地講解.

參考文獻

1 Michael Padilla .Science Explorer.杭州：浙江教育出版社，2008.36

2 徐斌. 潮汐與萬有引力. 物理教師，2007,28(11)：52

3 王修權.一道有關潮汐與引力考題的分析.物理通報，2011(7)：100～101