学以致用——几则物理知识应用的案例

曹新峰 孙建忠

(1.浙江省海宁市马桥中学,浙江海宁 314400;2.浙江省海宁市高级中学,浙江 海宁 314400)

新课程开展以来,如何有效地提高教学效果,这是一个非常重要的课题,新教材重视“过程”目标的落实,重视“情感”目标的体现,重视联系学生的生活、社会实践和现代科技.仔细研究我们就会发现,家庭、学校、社会都有大量学生感兴趣的物理问题,如家用电器、汽车、通信工具、节能减排等.教师要在教材的基础上通过“再创造”,把这些与学生的生活联系密切相关的事物引入物理课,就会增加学生对物理的亲切感,感受物理学科“认识自然,推动社会发展”的特有魅力.从而把物理学习转化为自身的内在需求,提高教学效果.

案例1.利用小孔成像估测太阳直径

学习了光的直线传播以后,学生在校园里找到了树叶下一个个圆形的光斑,心情都很欣喜.于是笔者就想到,能不能再布置一个实验案例,让学生去做,利用光的直线传播的原理解决一个“震撼”一点的问题,从而深切体会到物理学科的魅力.为此笔者要求学生做“利用小孔成像估测太阳直径”的实验.

有关实验方法和数据如下:

在中午的时候可以利用教室走廊做这个实验,可以使像成在坐标纸上.(开小孔的纸板要尽量大一些,这样地面的亮度低,可以使得太阳的像更清楚一些),如图1所示,地球到太阳的距离为 d=1.5×108m.离地面 h=1 m高处(也可更高一些)用一硬纸开一小孔.观察地面上观察到像的大小为.

图1

利用相似形知识,可以得到太阳的直径为

现代科学测定,太阳的半径为6.90×108m.这个实验如果仔细地做,会得出误差小于5%的数值.

这个实验学生分小组来做,完成得很好,经历了美妙的探究过程,学生是这样评价的:实际数值和实验计算很好地相符.一个小孔成像竟能估算出太阳的直径,“小实验、大作用”,物理真是太神奇太伟大了!

案例2.估算浙江新安江水电站的年发电量

这一案例是学习了做功和能量转化以后布置给学生的一应用案例,学生必须运用所学功和能量转化的知识,再根据地理的知识(查地图、根据比例算流域面积)进行研究;研究过程中需要收集各种资料(包括应用因特网查阅资料).有些学生的方案是总库容中220亿m3的水全部转化为电能,经过探究发现是错误的,而应该是将该流域中常年降水量作为水的体积,最后得出的结论才和实际相符.这一课题的研究,使学生的探究能力、实践能力、创新能力得到很大的提高.

分析过程如下:

如图2所示,新安江水电站的流域面积约为 4.4×3×104×3.3×3×104m2.该地区的年降水量约1 400 mm.该地区的年蒸发量约400 mm.则该地区的年蓄水体积为

平均水位落差为80 m.

新安江一年蓄水所做的功为

图2

假设其转化的效率约为65%,则其实际转化为电能的有

所以新安江水电站的年发电量为

(http://traveller.info.hz.zj.cn/hangzhou/jiande/xajsdc/xajsdc.htm网上查阅为19亿度)

笔者将这一课题布置给学生,要求将研究成果写成论文,并进行评比展览,学生的积极性很高,并巩固了所学的知识,也培养了学生的探究能力、合作意识、创新能力等.在实践中笔者体会到,考虑到学生的知识水平,教师应适当多一些指导以便让学生成功,尽量和课本的相关知识结合,使学生能体会探究的过程、成功的喜悦.

案例3.计算并测定烧一壶水的时间和所用电能

学生在物理学习中,总会遇到一些“台阶”,例如在进行电路学习时,学生往往因学习困难而产生一种对物理学习心理上的距离,如何有效帮助学生树立学习的兴趣和信心呢?笔者坚信“学以致用”是高效的教学!因此笔者布置一些应用性的观察和实验,例如,研究家用电器的说明书、家用电器的电功分析、烧一壶水的时间和所用电能等.关键是要求学生去做,以下是一学生上交的“烧一壶水的时间和所用电能”一些数据.

有关数据分析过程:

测出一壶水的质量(可以量直径,算体积,教师要作适当的指导)

(1)直径:d=0.2 m.

(2)高度:h=0.1 m.

(4)质量:m=ρ V=3.14 kg.

(5)烧开所需的热量为

(6)设热效率为90%(烧水时要散热)

在教师的布置下,几乎每个学生都进行了实验(来源于生活,实验很方便),特别是当理论计算和实际烧水的时间很好地相符时,学生们都很兴奋,用学生的话说:本来一些公式感到很枯燥,通过应用以后觉得这些公式很有用,很亲切.有的学生在实验的时候还和家长一起研究,孩子的探究过程得到了家长的赞许和勉励,学生在情感上很有成就感和满足感.亲身实验的数据有助于学生树立节能意识,同时这个实验很好地调动了学生的学习积极性、巩固了物理知识.

案例4.估算排量为1.6 L轿车以60 km/h行驶100 km耗油量

现在汽车越来越普及,据调查学生中很多家庭都有汽车,那么是不是可以利用所学的物理知识来一次“亲密接触”,为此笔者选了一个我们所有人都很关心的问题:汽车100 km耗油量.为此笔者和学生一起通过各种资源进行了分析研究(汽车使用说明书、汽车网站、4S维修店专业人员等).

有关分析数据如下:

排量为1.6 L汽车的额定功率约为80 kW,以60 km/h水平行驶时实际功率约为20 kW(这是从东风标致汽车4S店专业人员中了解到的知识).

所消耗能量为 W=Pt=1.2×108J.汽油机的效率约为 η=30%.所需要的总能量为 E=4.0×108J.汽油的燃烧值约q=3.45×107J/L.100 km耗油为

对这个探究案例,学生都很积极,因为能源问题、节能减排是现代社会的热点.汽车平时又和学生的生活很密切.以往他们都是从其他方面得到的油耗信息,通过探究,当他们完全可以用自己所学的知识得到结论时,学生们都感觉收获的很大,这其中对教师也是一个学习过程(例如汽车的实际功率和速度的关系).这是一个很成功的案例,学生深切感受到了物理学科的魅力.

“学以致用”,这是一个朴素的教学思想,它能够让学生深切地感受到物理学习的乐趣,它能够切实有效地培养学生的科学探究能力.在新课程理念的指导下,教师引导学生将物理知识应用到生活生产实际,去分析解决实际的问题,能极大地调动学生的主观能动性和潜能,这是一种非常有效的教学方式.因此,开发和开展物理知识应用的案例,让学生真正去实践,这是提高教学效果的一个重要途径.

1 蔡铁权.物理教学丛书◦基础教育课程改革视野下的中学物理教学.北京:科技出版社,2005.

2 袁运开,赵铮,余自强.科学(7-9年级)课程标准解读.武汉:湖北教育出版社,2002. (收稿日期:2010-01-20)