從中國古典著作中提煉原始物理問題

沈 麗 鄔雨陽 王 強

(揚州大學物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225009)

1 引言

早在幾千年前，中國古典著作中就出現了關于物質運動的認識，蘊含著豐富的物理知識。這些物理知識與日常生活息息相關，它源于當時人們對自然的觀察，并受限于當時的生產技術水平。

《義務教育物理課程標準(2011年版)》要求中學物理教學注重探究、注重學科滲透、關注社會、貼近生活，要求學生形成物理觀念，具有模型建構的能力。原始物理問題教學為核心素養目標的達成，提供了切實有效的途徑。[1-3]基于中國古典著作中所蘊含物理知識的豐富性、原始性和生活化，筆者嘗試從中提煉原始物理問題，從而引導學生建構物理概念、發現物理規律。

2 從中國古文化中提煉原始物理問題

2.1 “浮力”原始問題教學

在中國第一個揭示浮力原理的是墨子，比阿基米德早百余年。《墨經》中有以下描述：“荊之大，其沈淺也，說在衡。”“荊之衡也，則沈淺，非荊淺也。若易五之一。”“荊”即“形”，指物體，“沈”即“沉”。第一部分的釋義是：形狀大的物體，其沉入水中的部分卻淺，關鍵在于物體所受的重力與浮力相平衡。第二部分的釋義是：把物體放入水中，它可漂浮于水上，不一定是它淺薄才會如此。物體所受重力與浮力關系就如同市場上五件商品與一件商品的等價交換。可以看出，我國古人對于沉浮原理已有了初步的了解：物體所受的重力與所受的浮力相平衡，浮力與物體的大小(即體積)無關，但是未完全揭示出物體所受浮力大小與排水體積的關系。

基于以上原始素材和釋義，我們可以提出如下原始物理問題：試舉例說明物體所受浮力大小與排水體積的關系。按照原始物理問題教學的流程，首先將原始問題進行抽象表征，將物體看作是質量分布均勻的長方體，認為其只受重力和浮力的作用，忽略其他力的作用；其次利用理想模型法建構物理模型，即浮在水面上的一個受力平衡的長方體；再對其進行賦值表征，設長方體的長為a、寬為b、浸沒在水中的深度為h1，增加載重后浸沒在水中的深度為h2；聯想到現代生活中大型輪船漂浮在水面上的物理情境，并由此編制出相關物理習題；通過具體計算，最后得出結論(物理表征)：在體積不變的情況下，物體越重，排水體積越大，所受浮力越大。以上過程體現了原始物理問題教學的基本流程(圖1)。

圖1

習題：一艘觀光輪船在長江上空載行駛，船體吃水深度為4米，當載滿游客時船體吃水深度為6米。假設船身為長方體，船長50米，寬為8米。則在上述兩種情況下，輪船所受浮力分別為多少？

在本題中，輪船的體積不變，通過船體質量的變化改變吃水深度，從而讓學生得出“物體所受浮力的大小與排開液體體積有關，與物體本身體積大小無關”的結論，并正確闡釋《墨經》中的“則沈淺，非荊淺也”的涵義。《墨經》中對于浮力的描述只有寥寥數語，但是通過其提煉原始物理問題，抽象出物理模型，設計相關習題，既讓學生了解到中國古人對物體沉浮問題的深刻認識，同時又加深了對阿基米德原理的理解。

2.2 “聲音”原始問題教學

我國古代樂器種類多樣，古人對于聲音的理解也很深刻。在唐代《樂書要錄》中有記載：“形動氣徹，聲所由出也，然則行氣者，聲之源也。聲有高下，分而為調。高下雖殊，不越十二。假使天地之氣噫而為風，速則聲上，徐則聲下，調則聲中”。“形動氣徹”指物體產生振動，空氣也隨之振動，聲音從而產生；同時也指出風速的大小對聲音的音調會產生一定的影響。在物理中聲音是由振動產生的，這與“形動氣徹，聲所由出也”的表述非常相似。“然則行氣者，聲之源也”，空氣流動引起物體振動，從而發出聲音。“速則聲上，徐則聲下”，風速的大小間接導致空氣振動的頻率不同，振動頻率改變，聲音的音調也會隨之改變。古人通過對生活中聲學現象的觀察，總結聲音發生的規律及原理；我們可以從其中提煉出原始物理問題，對物理教學具有啟示作用。

圖2

人類文明許多來自于大自然的啟發，聲現象應用于樂器就是典型例子。例如，嗩吶是我國具有代表性的民族管樂器(圖2)，它聲音雄壯、穿透能力強。筆者以嗩吶名曲《百鳥朝鳳》引入教學，探究嗩吶的發聲原理，并引導學生探究生活中的聲學現象。我們可以提出如下原始物理問題：嗩吶發聲的原理是什么？為什么嗩吶可以演奏出不同音調的鳥叫聲？請對此進行用探究。

在進行原始物理問題教學時，首先需要提出猜想。人吹嗩吶時，嗩吶空腔內空氣振動，從而發出聲音；改變手指按壓小孔的位置，可達到改變樂音音調的目的。

圖3

其次制作模型(圖3)，進行實驗探究：(1) 準備一根吸管，在吸管三分之一處切一個小口，并將切口處彎折成一個直角。(2) 將靠近切口一端的吸管插入水中，然后從另一端用力吹氣；吹氣同時不斷改變插入水中的深度，并留意聲音發生的變化。

然后觀察、總結實驗現象。通過上面的實驗我們發現，向吸管吹氣時，吸管可以發出聲音；并且聲音隨吸管插入深度的變化而變化；抬高吸管，聲音音調變低，壓低吸管，聲音音調變高。

最后分析物理原因(物理表征)，印證最初的猜想。吹入的氣流經過吸管切口處時，氣流撞擊到下端吸管內壁，引起共鳴而發出聲音。聲音音調的高低則與共鳴腔的長度有關。抬高吸管時，共鳴腔長度增大，聲音音調變低；壓低吸管，共鳴腔長度減小，聲音音調變高。因此，如果不斷改變吸管插入的深度，音調也隨著發生變化。導管發聲與嗩吶發聲的原理基本相同，嗩吶上有若干小孔，人通過吹奏將氣吹進嗩吶管內，使管內空氣柱振動而產生聲音，通過按壓不同的小孔，可使音調發生改變。這與《樂書要錄》中所提到的“聲有高下，分而為調”有著異曲同工之妙。

在有關“聲音”的原始物理問題教學中，通過“原始素材→提出原始問題→提出猜想→建構理想模型→實驗探究→觀察總結現象→物理表征”的流程，讓學生在物理與中國古典文化、現實生活的互融過程中，找到了學習物理的樂趣，有利于物理學科核心素養的培養。

3 結語

中國古代學者通過對自然的不斷認識和探索，從生活中積累了豐富的物理知識，這對中學物理教學具有深刻的借鑒和啟發意義。[4]基于中國古典著作進行原始物理問題教學，不僅符合課標的要求，也讓學生在提高科學文化素養的同時，增強了民族自信心和自豪感。