盡量讓學生在玩中學 學中玩
——談談“物體的相互作用”的探究性教學

楊雄生 劉 婕

（北京中醫(yī)藥附中 北京 100013）

高一物理難教、難學，學生由于受力分析能力差，常導致解題錯誤，使學習積極性受到挫傷，從而促成兩極分化.

應該承認，教材在培養(yǎng)學生“受力分析”能力方面存在著瑕疵.教材把“受力分析的理論基礎 ——牛頓第三定律”安排在牛頓第二定律之后，盡管在牛頓第二定律之前，特地安排了一章“相互作用”或“力”，但是對重力、彈力和摩擦力不能從牛頓第三定律的深度進行分析，只能停留在初中水平.因而學生“受力分析”能力差也是必然的.

為了彌補這個瑕疵，我們特地將“相互作用”這一章第一節(jié)改為“物體的相互作用”，盡量開展探究性教學，讓學生在“玩中學”、“學中玩”，從中領會物體相互作用的基本特征，為重力、彈力與摩擦力的教學，打下扎實的理論基礎.現(xiàn)介紹如下.

1 引入新課

上課開始首先介紹量程2kg，分度值0.1g的數(shù)字壓力秤.說明利用壓力秤可以測量壓力、拉力與物體的重力.演示兩種利用壓力秤測重力的方法：其一，將一個圓柱體放在水平放置的壓力秤上；其二，如圖1所示，圓柱體C通過筷子與鐵絲組成的掛鉤B，掛在壓力秤A下（這時圖中其他物體都不出現(xiàn)）.兩次讀數(shù)都是123.9×9.8×10－3N（用實物投影儀顯示壓力秤的示數(shù)，下同）.

圖1

師：如果將9.8N／kg當作10N／kg，那么，壓力秤的讀數(shù)為1.239N.

再在上述實驗中，添加燒杯D，小毛巾E（暫時蓋住下方壓力秤M）和升降臺N.提升升降臺，讓圓柱體逐漸浸入水中.

師：看到什么現(xiàn)象？

生：壓力秤的讀數(shù)減小；杯中水面升高.

師：為什么壓力秤的讀數(shù)會減?。?/p>

生：圓柱體受到了浮力.

師：如何求這個浮力？

生：壓力秤兩次讀數(shù)之差.

師：浮力有反作用力嗎？

生：有.

師：浮力的反作用力在哪里？（停幾秒鐘）大家知道，作用力從哪里來，反作用力就到哪里去.誰給圓柱體的浮力？

生：水.

師：那么，反作用力就應該是哪個力？

生：圓柱體對水向下的作用力.

師：如何測定這個反作用力？

生：在杯子的下面放一個壓力秤.

師：（抽走圖1中杯子底部的小毛巾，露出下方的壓力秤）有了壓力秤，如何具體測量浮力的反作用力？

生：圓柱體沒有浸入水之前，先讀一次壓力秤的讀數(shù)；圓柱體浸入水之后，再讀壓力秤的讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差，就是浮力的反作用力了.

師：很好！大家一起做實驗，看看浮力與它的反作用力有什么關系？實驗之前先猜猜浮力與它的反作用力的關系是大了、小了還是相等.大家要養(yǎng)成這樣的習慣，然后再做實驗，看猜想是否正確.

兩位學生一組做實驗，很快發(fā)現(xiàn)浮力與它的反作用力大小相等.

2 探究浮力與它的反作用力的關系

師：為了仔細探究浮力與反作用力的關系，我們需要多做幾次實驗.

每次求浮力的大小，都要算兩次讀數(shù)之差；每次求它的反作用力也是要算兩次讀數(shù)之差，比較麻煩.好在壓力秤上有個隨時歸零的按鈕，就是壓力秤最右邊的“TARE”按鈕.只要在圓柱體沒有浸入水之前，讓上、下壓力秤都歸零，然后，讓圓柱體浸入水中，上面壓力秤出現(xiàn)負值，為什么是負值呢？請同學想一想，這個負值就是圓柱體受到的浮力；下面壓力秤出現(xiàn)正值，這就是水受到圓柱體的反作用力.希望同學們抓緊時間，通過調節(jié)升降臺的高度盡量多做幾次實驗，看看浮力與它的反作用力有什么關系.

表1 浮力和浮力的反作用力

表1是一組學生的實驗數(shù)據(jù) ，通過師生對話共同總結得出.

浮力和它的反作用力的特點：

（1）浮力是水給圓柱體的作用力，它的反作用力是圓柱體對水的作用力.

作用力從哪里來，反作用力就到哪里去，浮力和它的反作用力分別作用在對方物體上.

（2）浮力和它的反作用力大小相等，方向相反.

（3）浮力和它的反作用力同時產(chǎn)生，同時消失；同時增大，同時減小.

師：今天，我們的目的就是討論物體的相互作用有什么特點的.

引出課題：物體的相互作用.

3 探究磁鐵相互排斥力之間的關系

師：只用一個浮力和它的反作用力的關系，來說明一切物體的相互作用的關系，案例似乎少了一些.能否多找?guī)讉€例子來討論呢？每個小組都有一個方形的沒有刻度的有機玻璃的直筒與兩塊方形的磁鐵，請大家“制作”一個磁懸浮現(xiàn)象.

學生制作過程中，要求晃動直筒，證明懸浮的磁鐵不是粘在量筒的側壁上，然后置于桌面上.

師：磁鐵本身有重力，它懸浮在空中靜止不動，一定還受到一個什么方向的力？

生：豎直向上的力.

師：如何求這個力的大小？

生：它等于自己的重力，只要測定它的重力就知道這個力的大小.

師：很好！我們就是由測定懸浮磁鐵的重力，從而知道它所受豎直向上作用力的大小，如圖2（a），（停幾秒鐘）誰給它這個作用力的？

圖2

生：下面磁鐵給它的排斥力.

師：這個排斥力有反作用力嗎？

生：有，它對下面磁鐵的排斥力.

師：它對下面磁鐵的排斥力，朝那個方向？

生：豎直向下.

師：如何測定這個豎直向下的作用力？

生：在直筒下面放一個壓力秤，上面磁鐵沒有放進量筒之前壓力秤有一個讀數(shù)，磁鐵放進量筒之后又有一個讀數(shù)，兩個讀數(shù)之差，就是上面磁鐵對下面磁鐵的排斥力，如圖2（b）.

師：很好！我們就是這樣來測定兩塊磁鐵之間的相互排斥力的.每個小組都有兩個壓力秤，我們要善于運用兩個壓力秤，一個用于測定上面磁鐵的重力；一個專門用于測定下面磁鐵所受的排斥力.同時，還要善于運用壓力秤隨時歸零的特點.（停幾秒鐘）現(xiàn)在開始實驗，仍然要求先猜想再實驗，檢驗自己的猜想是否正確.

分組實驗之后，大家得到兩塊磁鐵之間的排斥力大小相等，方向相反.

師：只用一次實驗就說兩塊磁鐵之間的相互作用力大小相等，方向相反，例證似乎有些欠缺.一角錢的硬幣是磁性物體，我們可以讓幾個一角錢的硬幣吸在上面的磁鐵上，用來調節(jié)上面磁鐵的重力，多做幾次實驗，再來總結兩塊磁鐵相互排斥力的關系.

學生的實驗數(shù)據(jù)略，通過師生對話共同總結得出磁鐵之間排斥力相互作用的特點：

圖3

（1）圖3中B對A的排斥力，它的反作用力是A對B的排斥力.

作用力從哪里來，反作用力就到哪里去，B對A的排斥力和A對B的排斥力分別作用在對方物體上.

（2）B對A的排斥力和A對B的排斥力大小相等，方向相反.

（3）B對A的排斥力和A對B的排斥力，同時產(chǎn)生，同時消失；同時增大，同時減小.

4 探究兩個彈簧測力計對拉的相互作用力

教師演示圖4（a）所示的兩個彈簧測力計沿直線對拉的實驗，結合圖4（b）強調說明：A彈簧測力計的讀數(shù)，表示B彈簧測力計對A彈簧秤的拉力FB拉A，B彈簧測力計的讀數(shù)，表示A彈簧測力計對B彈簧測力計的拉力FA拉B，它們是一對相互作用力.

讓學生利用實驗桌上的兩個5N的彈簧測力計，按在實驗桌上沿直線對拉，仔細探究FA拉B與FB拉A這對相互作用力的關系，要求先猜想后做實驗，而且多做幾次實驗.

圖4 彈簧測力計沿直線對拉實驗

通過學生多次實驗之后，師、生共同總結出兩彈簧測力計沿直線對拉時，相互作用力的特點：

（1）圖4中B彈簧測力計對A彈簧秤的拉力FB拉A，它的反作用力是A彈簧測力計對B彈簧測力計的拉力FA拉B.

作用力從哪里來，反作用力就到哪里去，F(xiàn)B拉A與FB拉A分別作用在對方物體上.

（2）FB拉A與FA拉B大小相等，方向相反，在一條直線上.

（3）FB拉A與FA拉B，同時產(chǎn)生，同時消失；同時增大，同時減小.

注意：在總結上述第2條FB拉A與FA拉B在同一條直線上時，還應補充強調前述的浮力和它的反作用力；磁鐵之間相互作用力，也是在同一條直線上的.

5 探究做變速運動的物體之間的相互作用力

師：上面我們討論的3個案例都是物體處于靜止狀態(tài)下，物體間的相互作用的特點.物體在加速狀態(tài)下，相互作用是否還有上述的特點.

教師演示如圖4（a）所示的兩個彈簧測力計對拉，在水平方向沿直線做變速運動.

師：你們看到兩個彈簧測力計的讀數(shù)各多大？

生：看不清楚.

介紹圖5所示的力傳感器的功能（略）.

圖5 力傳感器的演示

首先，單獨演示傳感器A受力情況的圖線如圖6（a）所示，隨后說明圖中的曲線表示傳感器A所受的拉力隨時間變化的情況.

其次，單獨演示傳感器B受力的情況的圖線如圖6（b）所示，隨后說明因為采集器C把傳感器B受力的信號輸入計算機的情況正好與傳感器A的情況相反，所以，傳感器A的受力曲線在x軸的上方；傳感器B的受力曲線就在x軸的下方.

圖6 演示傳感器A，B的受力情況圖線

最后，演示A，B兩個傳感器水平對拉，且在同一水平線上做變速運動，兩傳感器受力情況如圖7所示.教師在圖7的x軸上，任選四點，過每個點作x軸的垂線，分析A，B兩個傳感器相互作用力的情況，得出兩彈簧測力計對拉，且做加速運動時的相互作用力的特點，與兩彈簧測力計沿直線靜止對拉時的結論一樣（結論略）.

圖7 兩傳感器受力情況圖線

本課總結、測試題與生活中相互作用力的例子，均略.

但，必須演示圖8（a）所示的實驗.

師：（著重說明）初中時用這個實驗測定物體的重力，引入新課也是這樣說的.請大家注意，這僅僅是實驗的測量結果.從今天我們仔細研究物體之間相互作用力之后，一定要明確，彈簧測力計的讀數(shù)，僅僅表示圓柱體B拉彈簧測力計A的力，它的反作用力就是彈簧測力計A拉圓柱體B的力，如圖8（b）所示.這兩個力與圓柱體的重力是不同的力，它們之間的關系是由物理規(guī)律決定的.

圖8

6 幾點說明

由于本堂課是“相互作用”或“力”這一章的第一節(jié)課，可以暫不出現(xiàn)“牛頓第三定律”這個名詞，也不出“作用力與反作用力屬于同種性質的力”的結論.在本章中，當仔細討論重力、彈力與摩擦力時，才各自分別得出“作用力與反作用力屬于同種性質的力”的結論.

牛頓力學對于通過恒定不變的場（萬有引力場、靜電場與靜磁場）發(fā)生作用的物體，都忽略場而直接說物體對物體的作用，本文也沿用這個說法.

探究性教學，其中有一個“讓學生設計驗證猜想的實驗”的環(huán)節(jié).由于本校學生的學習能力不是很強，改為師生共同設計探究實驗.本意是騰出時間，讓學生多做探究“作用力與反作用力定量關系”的實驗，實現(xiàn)“即使是學習能力不高的學生，也能在‘玩中學’、‘學中玩’中領悟物體相互作用的幾個特征”的設想.

學生學習能力不同的學校，可以采取不同的教學方法，不一定要采用我們的教學方法.例如，有教師說，假如將前3個實驗擺在實驗室中，由學生玩半堂課，再讓學生匯報，也能很好完成教學目標.

現(xiàn)在，面對厭學物理的（比例不小）、學習基礎薄弱和學習能力不高的學生（比例也不小）如何開展教學，成為不少物理教師的難題.正是為了與這些教師探討而特寫本文，有的地方寫得過于詳細，也是為了便于交流.文中不妥之處，請同行斧正.