如何幫助學(xué)生更深刻地理解“功”

鄭青岳

(浙江省玉環(huán)市教育局教研室,浙江 玉環(huán) 317600)

“功”是初中物理的重要概念,顯然,理解“功”這一概念是功的教學(xué)的重要目標．所謂理解功的概念意味著,學(xué)生應(yīng)當(dāng)通過理性的活動,領(lǐng)會為什么要建立功這個概念,認識做功需要有哪幾個必要因素,會列舉做功和不做功的實例,領(lǐng)會功為什么是這樣定義的,等等．那么,在教學(xué)中,我們應(yīng)當(dāng)如何幫助學(xué)生深刻地理解功這一概念呢?以下我們通過比較幾個教學(xué)方案進行闡述．

圖1

1 方案1

導(dǎo)入語:從科學(xué)的角度來看,當(dāng)運動員舉著杠鈴不動時(圖1),雖然要用很大的力,但此時運動員并沒有對杠鈴做功．那么,怎樣理解做功的含義?

討論:

(1) 圖2和圖3是物體在力的作用下做功的實例．想一想,在這兩個實例中有什么共同特點?

圖2 叉車把貨物從地面舉起來

(2) 圖4和圖5是物體在力的作用下沒有做功的實例．想一想,在這兩個實例中有什么共同特點?

概括:在圖2和圖3中,叉車提升貨物和人推小車雖然是不同的現(xiàn)象,但有共同的特點,即貨物和小車都受到了力的作用,并且都在力的方向上運動了一段距離．在科學(xué)上,如果物體受到力的作用,并且在這個力的方向上通過了一段距離,我們就說這個力對物體做了功．

圖4 人用力搬石頭,石頭沒有搬動

討論:做功和不做功的實例．

對方案1的質(zhì)疑:

(1) 功是學(xué)生平時不太使用的一個陌生概念,在功的概念還沒有建立,即學(xué)生還不了解做功是怎么回事的情況下,就應(yīng)用功的概念進行表達,說哪些情況做功,哪些情況不做功,學(xué)生會感到很突然．

(2) 在建立功的概念時學(xué)生并不清楚為什么要引出這個概念,有什么必要,學(xué)生對新概念的到來并沒有一種期待．

2 方案2:從利用機械做功的特點引出功的概念

師生對話：

師:使用杠桿、滑輪、輪軸等簡單機械時,我們有時是為了省力,有時是為了省距離,但它們都有一個共同的特點,魚和熊掌不可兼得,是什么呢?

生:省力就費距離,省距離就費力．

師:力和距離之間到底有怎樣一種聯(lián)系呢?它們遵守著怎樣的規(guī)則呢?

生:……(疑惑,覺得有道理,但說不出)

教師講述:物理學(xué)中,把力與物體在力的方向上通過的距離的乘積稱為功．

直接給出公式、單位,體會1 J的大小……

對方案2的質(zhì)疑:

(1) 學(xué)生仍然不太清楚為什么要建立功的概念?不知道這個概念有什么用．

(2) 功的定義是直接給出的,學(xué)生不清楚功為什么要這樣定義,不清楚這樣定義的道理所在．

(3) 從本質(zhì)上看,功是能量轉(zhuǎn)化的量度,但從上述過程中,學(xué)生絲毫看不出功與能量的轉(zhuǎn)化有什么關(guān)系．

3 方案3:從能量轉(zhuǎn)化角度建立功的概念

圖6

呈現(xiàn)情景:為了對高樓的外墻進行維修和清洗,工人常用電動吊籃來升降(如圖6)．比較某個電動吊籃的3次提升過程(設(shè)工人體重相差不大).

第1次:將1個工人提升了15 m高;

第2次:將2個工人提升了15 m高;

第3次:將2個工人提升了30 m高．

學(xué)生討論:

(1) 提升吊籃(含人)的過程能量如何轉(zhuǎn)化?——電能轉(zhuǎn)化為吊籃的重力勢能．

(2) 比較3個過程電能消耗的多少．——第1次消耗得最少,第3次消耗得最多．

(3) 用什么量可以量度能量轉(zhuǎn)化的多少呢?(問題轉(zhuǎn)化)→提升吊籃過程中,電能轉(zhuǎn)化為重力勢能的多少跟什么因素有關(guān)?——跟提升吊籃用的力的大小有關(guān),跟吊籃在力的方向上移動的距離有關(guān)．用的力越大,吊籃在力的方向上移動的距離越大,電能轉(zhuǎn)化為重力勢能就越大．

概括:如果有一個力作用在物體上,并且物體在力的方向上移動了一段距離,就說這個力對物體做了功．力越大,物體在力的方向移動的距離越大,力對物體做的功就越大．所以,可以用功來量度能量轉(zhuǎn)化的多少．功是能量轉(zhuǎn)化的量度．

學(xué)生討論：

(1) 做功的兩個必要因素是什么?——力和力向距離．

(2) 教師給出實例,學(xué)生判斷做功還是不做功．

(3) 學(xué)生列舉做功和不做功的實例．

引導(dǎo)構(gòu)建概念圖:試結(jié)合提升吊籃的過程,將“能量的轉(zhuǎn)化”、“力”、“力向距離”、“功”幾個概念用概念圖建立起聯(lián)系(如圖7)．

圖7

推導(dǎo)功的定義式：

功作為能量轉(zhuǎn)化的量度,它是有大小的．根據(jù)做功的兩個必要因素和功是能量轉(zhuǎn)化的量度,可以推導(dǎo)出功的計算公式．

假設(shè)你用力F把一塊磚向上舉高h,你對磚塊做的功為W1．

(1) 如果要你用3F的力將3塊相同的磚同時舉高h,你需要做多少功?由此可見，功的大小跟力F存在什么關(guān)系?——如圖8所示,用力3F將3塊磚同時舉高s,相當(dāng)于分3次,每次將一塊磚舉高h．所以,你所消耗的能量,應(yīng)該是用力F把一塊磚舉高h消耗的能量的3倍．根據(jù)功是能量轉(zhuǎn)化的量度,用力3F將3塊磚舉高h做的功,應(yīng)是用力F將一塊磚舉高h所做的功的3倍,即3W1．由此可見功的大小跟作用力的大小成正比．

圖8

(2)如果你要用力F把同樣的磚豎直向上舉高3h,你需要做多少功?由此可見,功的大小跟物體在力的方向上移動的距離s存在什么關(guān)系?——如圖9所示,將磚塊豎直向上舉高3h,相當(dāng)于分3次,每次將磚塊舉高h．所以,你所消耗的能量,應(yīng)該是將磚舉高h消耗的能量的3倍．根據(jù)功是能量轉(zhuǎn)化的量度,將磚塊舉高3h做的功,應(yīng)是將磚塊舉高h所做功的3倍,即3W1．由此可見,功的大小跟物體在力的方向上通過的距離成正比．

科學(xué)中規(guī)定,功等于力跟物體在力的方向上通過的距離的乘積．

圖9

功=力×距離.

用F表示力,s表示物體在力的方向上通過的距離,W表示功,功的計算公式可以寫成W=Fs．

方案3評析:

(1) 功和能的關(guān)系(即功是能量轉(zhuǎn)化的量度)是物理學(xué)中的一個大概念,方案3從一個具體事例中的能量轉(zhuǎn)化入手,分析能量轉(zhuǎn)化多少的相關(guān)因素．而這些相關(guān)因素與做功的必要因素具有共同點,從而建立起力對物體做功的概念．這樣既體現(xiàn)了功和能兩個概念內(nèi)在的聯(lián)系,又滿足了學(xué)生對功的概念的期待,同時也使功的概念的出現(xiàn)變得十分自然．

(2) 方案3利用功和能的關(guān)系推導(dǎo)出功的定義式,既突出了功和能關(guān)系這一核心概念,又使學(xué)生對這個公式產(chǎn)生信賴感,從深層次上強化了對功的理解,同時也培養(yǎng)了學(xué)生思維的能力．