芻議初高中物理教學銜接的幾個問題

林立燦 鄭渝

摘 ? 要：自上世紀末以來，我國中學物理界就一直在探討著一個有關初高中物理教學的銜接問題。有關此類研究的論文也很多，但大都集中在如何針對高一學生的特點，調整教學方式及方法方面的研究。本文以高一物理有關重力及重力加速度的教學為切入點，探討在初高中物理教學銜接過程中，教師應力避應試教育思想，重視對教學內容和物理學科教育功能的研究。

關鍵詞：初高中物理教學銜接;重力;重力加速度;萬有引力

1 ? 重力及重力加速度教學實錄

高一年級物理教學過程中涉及重力和重力加速度的部分主要有：①在《勻變速直線運動》這一章中，學習了自由落體運動，知道自由落體運動的加速度為重力加速度;②在《相互作用》這一章中，學習了重力，知道物體所受重力等于質量乘以重力加速度;③在《萬有引力定律及其在天文學上的應用》這一章節中，又提及重力和重力加速度。

在高一教學中都會有這樣一個情景，老師在講授重力這一節時往往會說，重力是由于地球對物體的吸引而產生，但這并不意味著重力就是地球對物體的吸引力。此時學生總會感覺十分困惑，這是什么意思？為什么？老師們則會告訴學生，等到我們學習了萬有引力定律后就知道了。很可惜，現行的各種版本的物理必修2教材中，在萬有引力定律及其應用這一章節，均沒有對此問題做出詳細的解釋。有些避而不談，有些則含糊不清，如果老師們在這一章節的教學中沒有進行補充，學生往往一知半解，無法正確理解重力和萬有引力的關系。

筆者教學中，在學生學習過萬有引力定律后，就會補充給學生做如下的闡述：

先提出問題，我們怎么知道自己有多重？

在學生思考與討論后，教師給出以下解答和歸納。如圖1所示，當人靜止不動站立在一個臺式彈簧秤上時，人受二個力，一個是重力G，另一個是彈簧秤對人的支持力N，由于二力平衡，重力G的大小與支持力N的大小相等，方向相反。又因為根據牛頓第三運動定律，人對彈簧秤反作用力N′的大小等于N的大小，彈簧秤讀數是顯示N′的大小，即N的大小。這樣師生就達成了以下共識：靜止地站在彈簧秤的人，彈簧秤對人的支持力N的大小就是人所受重力G的大小，而N的大小可以從彈簧秤讀出。如果我們知道人的質量m，將彈簧秤的讀數除以人的質量m，就是當地的重力加速度（即g===）。學生對此沒有任何意見。

這時筆者在黑板上呈現一個大地球，告知學生臺式彈簧秤是放在地球上的，如圖2所示，那么此時人受幾個力？二個力，一個是地球對人的萬有引力，指向地心O，還有一個是彈簧秤對人的支持力N。現在這個支持力N還是與萬有引力F引在一條直線上嗎？如果不是，那又應該怎么畫？經過教師引導，學生們都知道了，由于地球有自轉，因此在地球上與地球保持相對靜止的任何物體都是隨地球繞地軸轉動，也就是做勻速圓周運動，做勻速圓周運動的物體所受的合外力一定指向圓心O′。這樣我們對人進行受力分析時應該先畫出指向地心O的萬有引力F引=（其中G為萬有引力常量，M為地球質量，m為人的質量，R為地球半徑），若將地球看成質量分布均勻的球體，如果人的質量m已知，這個F引也是可以計算的，再畫出人隨地球自轉所需的向心力F向，如果你知道秤重時自己所處的緯度φ，這個F向也是可以計算出來的，其方向指向圓心O′，最后利用萬有引力F引與支持力N的合力等于向心力F向這一結論，就可以通過平行四邊形定則作出支持力N的圖示。

經過以上討論之后再問學生，現在彈簧秤的對人支持力N的大小，即重力G的大小等于萬有引力F引的大小嗎？不相等！那怎么計算這個N呢？即重力的大小呢？由圖2可知，萬有引力F引的大小總是大于支持力N的大小（即重力G的大小），相差最大的位置是在赤道位置，而在南北兩極，因為物體無需自轉向心力，所以萬有引力F引的大小等于支持力N的大小（即重力G的大小）。實際上，若取地球的質量M=6.0×1024kg，地球的半徑R=6.4×106m，以靜止站在福州（北緯26°）地面彈簧秤上質量為60kg人為例，人所受萬有引力大小是：

F引=G=6.67×10-11×N=586.2N

而該人隨地球自轉所需的向心力大小是：

F向=m2Rcosφ

=60×2×6.4×106×cos26°N=1.823N

由此可知，圖中平行四邊形兩鄰邊之比為：

==322倍

也就是該平行四邊形圖實際上是一個極其狹長的平行四邊形，即萬有引力F引的大小非常接近于支持力N的大小。如果不考慮地球自轉的影響，也就是不用考慮向心力，那么萬有引力的大小F引就等于支持力N的大小，即重力G的大小。

對于這個問題，我們還可能這樣看，如圖3所示，我們把地面彈簧秤上的人所受的萬有引力分解為F1和人隨地球自轉所需的向心力F向，則重力的大小等于萬有引力的一個分力F1的大小。這就是我們在學習重力那一節時所說的，重力是由于地球對物體的吸引而產生的，不能簡單說重力就是地球對物體的吸引力，但如果不考慮地球自轉的影響，則萬有引力的大小與重力的大小相等。

根據這個理論，我們還可能計算出地球表面的重力加速度與緯度的關系式：

支持力N大小（即重力G大小）：

N=（1）

重力加速度大小：g=（2）

其中：F引=G，F向=mω2Rcosφ（3）

由式（1）、（2）、（3）各式可得：

g=（4）

將地球質量M=6.0×1024kg，萬有引力常量G=6.67×10-11N·m2/kg2，地球半徑R=6.4×106m及地球自轉角速度ω==rad/s=7.2685×10-5rad/s代入式（4）可得地球表面重力加速度與緯度的關系式：

g=（5）

從該式我們可以得到，南北兩極重力加速度最大，赤道處重力加速度最小，即隨著緯度增大重力加速度不斷增大。

根據地球表面重力加速度與緯度的關系式，我們可以計算出各個地方的重力加速度的理論值并與測量值 [1 ]進行比較，如表1所示：

2 幾點思考

2.1 ? 在初高中物理教學銜接問題中要重視對教學內容的研究

筆者在查閱相關資料后發現，我國關于初高中物理銜接教學問題的研究始于上世紀90年代初，興于本世紀初。大部分相關論文都集中在教學方法研究上，對教學內容的研究很少。筆者認為，物理教學成功的首要因素是要能解決學生在學習過程中存在的困惑，樹立物理學科在學生心目中的地位，讓學生喜歡物理學科。

學生剛進入高一學習重力時，老師和課本都告訴學生，重力是由于地球對物體的吸引而產生，但不能說重力就是地球對物體的吸引力。很多同學有疑問，這是為什么？重力到底是什么，如何測量，它與萬有引力又有什么聯系？有的老師會表示，學習完萬有引力后大家就會知道了，但現行的課本到物理必修2介紹完萬有引力定律及其應用后也沒有解答學生在這方面的困惑。趙凱華編著的《新概念高中物理讀本》 [2 ]在解釋上述問題時是用到了慣性力，這顯然對高一學生不適合。針對這一問題，筆者在高一下學期就補充進行本篇論文前述的教學。在上述教學過程中，通過設計一個人靜止站在地面彈簧秤上秤體重的例子，在教師的引導下，讓學生在已有的數學和物理知識基礎上，理解什么是重力，什么是重力加速度，如何測量，重力與萬有引力有什么關系，從而解答了學生的疑惑，均取得了很好的教學效果。在此教學過程中，還會伴隨著學生的歡笑聲。如在黑板上呈現圖2時，問學生這個歪歪站的人不會掉下來嗎？隨后歸納：如果這樣站不住的話，地球上沒人了。學生在一片笑聲中明白了其中的物理原理。

重力和重力加速度是學生進入高中后首先遇到的重要且基礎的物理概念，如果我們在教學中沒有給學生清晰的表達，就會造成學生的困惑。而長此以往，學生對此類物理概念不甚了解，知其然而不知其所以然，就會大大降低物理學科在學生心目中的地位，從而會影響高中物理教學效果。因此筆者認為，在解決初高中物理教學銜接問題中教師應當重視對教學內容的研究，將經過精心加工與設計的教學內容及教學過程呈現在學生的面前，使學生喜歡物理，從而引出潛藏在學生內心的學習潛能，這樣才會達到物理教學應有的效果。

2.2 ? 在初高中物理教學銜接問題中要重視對物理學科教育功能的研究

有讀者可能會發現，依據本文中所列出的地球表面重力加速度與緯度的關系的表達式所計算出的結果與實際值有一定差距。其中的主要原因是，關系式是在假設地球是一個質量分布均勻的球體的前提下推導得到的，但地球真實的情況不是這樣的。有的人會因為這個表達式不精確，認為這樣推導得到的式子沒有意義了。但恰恰相反，筆者認為，這正是物理學科教育功能的體現 。高中物理教學不僅要強調知識的傳授，更要強調科學研究方法的培養，讓學生經歷這樣的探究過程，使學生體驗以其目前所能具備的知識水平如何研究世界，在這一過程中不斷培養學生通過建立模型并利用數學知識解決物理問題的能力，使他們不斷地接近真理，讓學生體會研究自然和分析自然的樂趣，這比單純地做幾道純粹的物理試題更加有意義。因此筆者認為，在高一物理教學階段，不能一味地降低對學生的要求，讓高一物理教學具有較濃厚的“物理味”，為實現高中物理的教育功能奠定基礎。

2.3 ? 高中物理教學應力避應試教育思想

在筆者進行初高中物理教學銜接研究后發現：如果把初中物理理解成山底，則高中物理就是山頂。初高中物理教學銜接問題主要源自于以往從山底到山頂是一條陡直狹長的山路，很多學生由于智力及非智力因素，無法到達山頂。我們物理教師應把物理學看成一座風景如畫的大山，通過建造一條寬闊的盤山大道，讓學生在順利到達山頂的過程中又感受到物理大山的魅力，從而真正喜歡物理，為順利完成高中物理教學打下扎實的基礎。

從改革開放恢復高考后到現在已經經歷了30多年的高考，物理學科積累了大量各式各樣不同類型的試題。受功利教育思潮的影響，我們的高中物理教學很容易變成以習題為主的教學，如果那樣，就會完全失去了高中物理學科教育的本質。物理教師應深入鉆研學科內容和教學方法，研究學生的需求，在課堂上展現物理學科的獨特魅力，讓學生真心喜歡物理，同時讓學生感受與體驗物理學科所特有的分析問題與解決問題的方法，就像本篇論文第一部分所提到的實例，那樣的教學過程雖然不是習題課，但它也具備了習題課相當多的功能。

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理1[M].北京：人民教育出版社，2004.

[2] 趙凱華，張維善. 新概念高中物理讀本第一冊[M]. 北京：人民教育出版社，2010.