中學物理教師的理念

黃建新

摘 要：本文通過三個中學物理教學中深度思考的案例，闡述了中學物理教師“格物致知”的教學理念。

關鍵詞：格物致知；深度思考

中圖分類號：G622 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2016）12-155-02

在二十多年的物理教學生涯里，我的教學理念只有四個字：“格物致知”。《現代漢語詞典》是這樣解釋的：“格物致知”，就是窮究事物的原理法則而總結為理性知識。作為以培養學生科學精神為己任的中學物理教師，“格物致知”的理念，引領著我不斷探索。下面，我就以三個教學隨筆為例，談談我在物理教學中是如何進行深度思考的，和大家一起交流。

深度思考一：萬有引力定律和庫侖定律的類比

在高一《萬有引力》一章的習題中，經常會出現這樣一道題：假設有一個質點位于質量分布均勻的球殼內，所受萬有引力合力為多少？

答案是無論這個質點位于哪個位置，它所受的合力為零，學生很難理解。為了把這個問題弄清楚，我查閱了相關數學知識，進行了深入的思考。原來，還必須引入立體角的概念。

人教版選修3-1第一章《庫侖定律》中，提到了卡文迪許通過類比的方法，判斷出點電荷之間的靜電力滿足平方反比定律。

為了弄清卡文迪許的是如何得出結論的，我又大量查閱了資料。原來，早在庫侖定律發現之前十多年，卡文迪許就用兩個球殼做過一個精巧的實驗，證明球殼內部電場強度為零。由于牛頓在《自然哲學的數學原理》中，利用萬有引力與距離平方成反比的規律，證明了在均勻物質球殼內任一點引力合力為零。卡文迪許由此想到，正因為B球殼內電場強度為零，與牛頓書中提及的均勻球殼相似，所以兩帶電體之間的靜電力，也應該服從和萬有引力一樣的平方反比規律。這種方法，就叫類比。

我嘗試著把以上的思考和學生共享。從立體角的引入，到球殼內的質點萬有引力合力為零的推導，直至通過靜電實驗研究卡文迪許的類比思想。學生和我一起進入了思索的絕妙境界。

深度思考二：演示運動的合成與分解

十多年以前，我第一次講《運動的合成與分解》第一節時，做了一個這樣的實驗，實驗步驟如下：

1、在一支一端開口的長玻璃管里裝滿水，將一小截圓柱體形狀的蠟燭頭懸浮在開口一端，然后用小像膠塞封閉玻璃管；；

2、迅速將玻璃管倒置，讓蠟燭頭位于最底部，同時將玻璃管貼著黑板，讓學生觀察小蠟燭頭的運動：從底部勻速上升到頂部，位移為AB；

3、再次迅速將玻璃管倒置，重新讓蠟燭頭位于最底部，同樣將玻璃管貼著黑板，并水平勻速移動玻璃管到C，讓學生再次觀察小蠟燭頭的運動：沿右上方勻速運動，位移為AD。

結論：圖3中的實驗情形，表明紅蠟燭同時參與了水平和豎直兩個方向的運動，位移AD是位移AB和AC的合位移。

我原以為這個問題非常簡單，學生不會有疑問。沒想到，剛下課，就有學生問我：“蠟燭為什么在水中會做勻速運動呢？”

“因為它處于懸浮狀態，重力與浮力相等。”我順口回答。

“那，剛開始那一段呢？蠟燭在底部的時候，不是速度為零嗎？怎么一下子做勻速運動了呢？”

“剛開始肯定做加速運動，至于具體分析，我明天告訴你吧。”

接下來的時間里，我詢問同組的老師，自己又進行了深入的思考，這才意識到自己原來犯了一個大錯誤。

事實上，我忽略了一個重要因素：水的阻力！蠟燭在上升過程中，不僅受水的浮力，還要受到水對它向下的阻力，而且阻力隨速度的增大而增大。剛開始的時候，浮力大于重力和水的阻力，所以加速上升，而阻力也不斷增大，所以，蠟燭做加速度越來越小，速度越來越大的變加速運動，當浮力、重力、阻力合力為零時，加速度為零，速度最大，蠟燭做勻速運動。

可見，物理教師必須反復思考，不斷拓展思考的空間，追求博大精深。

深度思考三：多普勒效應公式的推導

在一次物理課上，我給學生講《多普勒效應》一節，本以為這節課不是什么重點內容，學生應該不難理解。

“所謂多普勒效應，指的是這樣一種現象：由于波源或觀察者的運動而出現觀測到的頻率與波源頻率不同。”我充滿信心的講解。

我還打了個比方，如果波源一秒鐘發出10個波，波源頻率為10赫茲。而觀察者向著波源運動，則一秒鐘接受到的波數肯定大于10個，所以觀測頻率大于10赫茲，如果背離波源運動，情況正好相反。同理，如果觀察者不動，波源向著觀察者運動，觀測頻率也會大于10赫茲。

我知道，這個公式在高中階段肯定不要求推導的，可是，既然學生問起，怎么也得給他一個滿意的回答。可是，我怎樣才能講清楚呢？

經過反復考慮，查閱相關資料和大學書籍，我終于總結出一種推導的方法，并詳細記錄在本子上，茅塞頓開，立即整理在筆記本上。

我是這樣思考的：

如圖，O點表示波源，同心圓表示波面。那么，對于觀察者來說，所謂波長，就是以觀察者為參考系，相鄰波面的半徑之差；所謂波速，就是以觀察者為參考系，波源相對于介質中的傳播速度，注意，是傳播速度，不是波源的運動速度。而所謂觀測頻率，就是以觀察者為參考系，波長與傳播速度的比值。

第一種情況：波源靜止而觀察者運動。