尽量让学生在玩中学 学中玩
——谈谈“物体的相互作用”的探究性教学

杨雄生 刘 婕

（北京中医药附中 北京 100013）

高一物理难教、难学，学生由于受力分析能力差，常导致解题错误，使学习积极性受到挫伤，从而促成两极分化.

应该承认，教材在培养学生“受力分析”能力方面存在着瑕疵.教材把“受力分析的理论基础 ——牛顿第三定律”安排在牛顿第二定律之后，尽管在牛顿第二定律之前，特地安排了一章“相互作用”或“力”，但是对重力、弹力和摩擦力不能从牛顿第三定律的深度进行分析，只能停留在初中水平.因而学生“受力分析”能力差也是必然的.

为了弥补这个瑕疵，我们特地将“相互作用”这一章第一节改为“物体的相互作用”，尽量开展探究性教学，让学生在“玩中学”、“学中玩”，从中领会物体相互作用的基本特征，为重力、弹力与摩擦力的教学，打下扎实的理论基础.现介绍如下.

1 引入新课

上课开始首先介绍量程2kg，分度值0.1g的数字压力秤.说明利用压力秤可以测量压力、拉力与物体的重力.演示两种利用压力秤测重力的方法：其一，将一个圆柱体放在水平放置的压力秤上；其二，如图1所示，圆柱体C通过筷子与铁丝组成的挂钩B，挂在压力秤A下（这时图中其他物体都不出现）.两次读数都是123.9×9.8×10－3N（用实物投影仪显示压力秤的示数，下同）.

图1

师：如果将9.8N／kg当作10N／kg，那么，压力秤的读数为1.239N.

再在上述实验中，添加烧杯D，小毛巾E（暂时盖住下方压力秤M）和升降台N.提升升降台，让圆柱体逐渐浸入水中.

师：看到什么现象？

生：压力秤的读数减小；杯中水面升高.

师：为什么压力秤的读数会减小？

生：圆柱体受到了浮力.

师：如何求这个浮力？

生：压力秤两次读数之差.

师：浮力有反作用力吗？

生：有.

师：浮力的反作用力在哪里？（停几秒钟）大家知道，作用力从哪里来，反作用力就到哪里去.谁给圆柱体的浮力？

生：水.

师：那么，反作用力就应该是哪个力？

生：圆柱体对水向下的作用力.

师：如何测定这个反作用力？

生：在杯子的下面放一个压力秤.

师：（抽走图1中杯子底部的小毛巾，露出下方的压力秤）有了压力秤，如何具体测量浮力的反作用力？

生：圆柱体没有浸入水之前，先读一次压力秤的读数；圆柱体浸入水之后，再读压力秤的读数，两次读数之差，就是浮力的反作用力了.

师：很好！大家一起做实验，看看浮力与它的反作用力有什么关系？实验之前先猜猜浮力与它的反作用力的关系是大了、小了还是相等.大家要养成这样的习惯，然后再做实验，看猜想是否正确.

两位学生一组做实验，很快发现浮力与它的反作用力大小相等.

2 探究浮力与它的反作用力的关系

师：为了仔细探究浮力与反作用力的关系，我们需要多做几次实验.

每次求浮力的大小，都要算两次读数之差；每次求它的反作用力也是要算两次读数之差，比较麻烦.好在压力秤上有个随时归零的按钮，就是压力秤最右边的“TARE”按钮.只要在圆柱体没有浸入水之前，让上、下压力秤都归零，然后，让圆柱体浸入水中，上面压力秤出现负值，为什么是负值呢？请同学想一想，这个负值就是圆柱体受到的浮力；下面压力秤出现正值，这就是水受到圆柱体的反作用力.希望同学们抓紧时间，通过调节升降台的高度尽量多做几次实验，看看浮力与它的反作用力有什么关系.

表1 浮力和浮力的反作用力

表1是一组学生的实验数据 ，通过师生对话共同总结得出.

浮力和它的反作用力的特点：

（1）浮力是水给圆柱体的作用力，它的反作用力是圆柱体对水的作用力.

作用力从哪里来，反作用力就到哪里去，浮力和它的反作用力分别作用在对方物体上.

（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时产生，同时消失；同时增大，同时减小.

师：今天，我们的目的就是讨论物体的相互作用有什么特点的.

引出课题：物体的相互作用.

3 探究磁铁相互排斥力之间的关系

师：只用一个浮力和它的反作用力的关系，来说明一切物体的相互作用的关系，案例似乎少了一些.能否多找几个例子来讨论呢？每个小组都有一个方形的没有刻度的有机玻璃的直筒与两块方形的磁铁，请大家“制作”一个磁悬浮现象.

学生制作过程中，要求晃动直筒，证明悬浮的磁铁不是粘在量筒的侧壁上，然后置于桌面上.

师：磁铁本身有重力，它悬浮在空中静止不动，一定还受到一个什么方向的力？

生：竖直向上的力.

师：如何求这个力的大小？

生：它等于自己的重力，只要测定它的重力就知道这个力的大小.

师：很好！我们就是由测定悬浮磁铁的重力，从而知道它所受竖直向上作用力的大小，如图2（a），（停几秒钟）谁给它这个作用力的？

图2

生：下面磁铁给它的排斥力.

师：这个排斥力有反作用力吗？

生：有，它对下面磁铁的排斥力.

师：它对下面磁铁的排斥力，朝那个方向？

生：竖直向下.

师：如何测定这个竖直向下的作用力？

生：在直筒下面放一个压力秤，上面磁铁没有放进量筒之前压力秤有一个读数，磁铁放进量筒之后又有一个读数，两个读数之差，就是上面磁铁对下面磁铁的排斥力，如图2（b）.

师：很好！我们就是这样来测定两块磁铁之间的相互排斥力的.每个小组都有两个压力秤，我们要善于运用两个压力秤，一个用于测定上面磁铁的重力；一个专门用于测定下面磁铁所受的排斥力.同时，还要善于运用压力秤随时归零的特点.（停几秒钟）现在开始实验，仍然要求先猜想再实验，检验自己的猜想是否正确.

分组实验之后，大家得到两块磁铁之间的排斥力大小相等，方向相反.

师：只用一次实验就说两块磁铁之间的相互作用力大小相等，方向相反，例证似乎有些欠缺.一角钱的硬币是磁性物体，我们可以让几个一角钱的硬币吸在上面的磁铁上，用来调节上面磁铁的重力，多做几次实验，再来总结两块磁铁相互排斥力的关系.

学生的实验数据略，通过师生对话共同总结得出磁铁之间排斥力相互作用的特点：

图3

（1）图3中B对A的排斥力，它的反作用力是A对B的排斥力.

作用力从哪里来，反作用力就到哪里去，B对A的排斥力和A对B的排斥力分别作用在对方物体上.

（2）B对A的排斥力和A对B的排斥力大小相等，方向相反.

（3）B对A的排斥力和A对B的排斥力，同时产生，同时消失；同时增大，同时减小.

4 探究两个弹簧测力计对拉的相互作用力

教师演示图4（a）所示的两个弹簧测力计沿直线对拉的实验，结合图4（b）强调说明：A弹簧测力计的读数，表示B弹簧测力计对A弹簧秤的拉力FB拉A，B弹簧测力计的读数，表示A弹簧测力计对B弹簧测力计的拉力FA拉B，它们是一对相互作用力.

让学生利用实验桌上的两个5N的弹簧测力计，按在实验桌上沿直线对拉，仔细探究FA拉B与FB拉A这对相互作用力的关系，要求先猜想后做实验，而且多做几次实验.

图4 弹簧测力计沿直线对拉实验

通过学生多次实验之后，师、生共同总结出两弹簧测力计沿直线对拉时，相互作用力的特点：

（1）图4中B弹簧测力计对A弹簧秤的拉力FB拉A，它的反作用力是A弹簧测力计对B弹簧测力计的拉力FA拉B.

作用力从哪里来，反作用力就到哪里去，FB拉A与FB拉A分别作用在对方物体上.

（2）FB拉A与FA拉B大小相等，方向相反，在一条直线上.

（3）FB拉A与FA拉B，同时产生，同时消失；同时增大，同时减小.

注意：在总结上述第2条FB拉A与FA拉B在同一条直线上时，还应补充强调前述的浮力和它的反作用力；磁铁之间相互作用力，也是在同一条直线上的.

5 探究做变速运动的物体之间的相互作用力

师：上面我们讨论的3个案例都是物体处于静止状态下，物体间的相互作用的特点.物体在加速状态下，相互作用是否还有上述的特点.

教师演示如图4（a）所示的两个弹簧测力计对拉，在水平方向沿直线做变速运动.

师：你们看到两个弹簧测力计的读数各多大？

生：看不清楚.

介绍图5所示的力传感器的功能（略）.

图5 力传感器的演示

首先，单独演示传感器A受力情况的图线如图6（a）所示，随后说明图中的曲线表示传感器A所受的拉力随时间变化的情况.

其次，单独演示传感器B受力的情况的图线如图6（b）所示，随后说明因为采集器C把传感器B受力的信号输入计算机的情况正好与传感器A的情况相反，所以，传感器A的受力曲线在x轴的上方；传感器B的受力曲线就在x轴的下方.

图6 演示传感器A，B的受力情况图线

最后，演示A，B两个传感器水平对拉，且在同一水平线上做变速运动，两传感器受力情况如图7所示.教师在图7的x轴上，任选四点，过每个点作x轴的垂线，分析A，B两个传感器相互作用力的情况，得出两弹簧测力计对拉，且做加速运动时的相互作用力的特点，与两弹簧测力计沿直线静止对拉时的结论一样（结论略）.

图7 两传感器受力情况图线

本课总结、测试题与生活中相互作用力的例子，均略.

但，必须演示图8（a）所示的实验.

师：（着重说明）初中时用这个实验测定物体的重力，引入新课也是这样说的.请大家注意，这仅仅是实验的测量结果.从今天我们仔细研究物体之间相互作用力之后，一定要明确，弹簧测力计的读数，仅仅表示圆柱体B拉弹簧测力计A的力，它的反作用力就是弹簧测力计A拉圆柱体B的力，如图8（b）所示.这两个力与圆柱体的重力是不同的力，它们之间的关系是由物理规律决定的.

图8

6 几点说明

由于本堂课是“相互作用”或“力”这一章的第一节课，可以暂不出现“牛顿第三定律”这个名词，也不出“作用力与反作用力属于同种性质的力”的结论.在本章中，当仔细讨论重力、弹力与摩擦力时，才各自分别得出“作用力与反作用力属于同种性质的力”的结论.

牛顿力学对于通过恒定不变的场（万有引力场、静电场与静磁场）发生作用的物体，都忽略场而直接说物体对物体的作用，本文也沿用这个说法.

探究性教学，其中有一个“让学生设计验证猜想的实验”的环节.由于本校学生的学习能力不是很强，改为师生共同设计探究实验.本意是腾出时间，让学生多做探究“作用力与反作用力定量关系”的实验，实现“即使是学习能力不高的学生，也能在‘玩中学’、‘学中玩’中领悟物体相互作用的几个特征”的设想.

学生学习能力不同的学校，可以采取不同的教学方法，不一定要采用我们的教学方法.例如，有教师说，假如将前3个实验摆在实验室中，由学生玩半堂课，再让学生汇报，也能很好完成教学目标.

现在，面对厌学物理的（比例不小）、学习基础薄弱和学习能力不高的学生（比例也不小）如何开展教学，成为不少物理教师的难题.正是为了与这些教师探讨而特写本文，有的地方写得过于详细，也是为了便于交流.文中不妥之处，请同行斧正.