李毛才讓，張國恒，2*，尕桑拉毛，2

(1.西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730030；2.電子材料國家民委重點實驗室，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

不同的民族有不同的文化歷史背景，藏族文化生活中有許多現(xiàn)象和富含物理原理，這些現(xiàn)象能很好地與中學物理實驗課程內(nèi)容相結(jié)合，使學生能夠從形象的實例中學習、掌握物理知識，同時也能體會到藏族人民在適應自然環(huán)境方面表現(xiàn)出的智慧.

義務教育階段《物理課程標準(實驗稿)》明確指出：“使用身邊隨手可得的物品進行探究活動和各種實驗，可以拉近物理學與生活的距離，讓學生深切地感受到科學的真實性，感受到科學和社會，科學和日常生活的關系”[1].隨著新課程改革的深入，新教材要求教學器材全面、精密、直觀.而藏區(qū)的部分學校，實驗器材嚴重不足，教師想做實驗也無法做.因此，開發(fā)生活中的物理實驗資源是很有必要的[2].

在新課程改革理念的指導下，經(jīng)濟條件相對較差的藏族中學開發(fā)基于本民族特色的低成本中學物理實驗資源，不僅可以彌補藏族中學物理實驗儀器的缺乏，還有利于提高中學物理實驗教學質(zhì)量，并能很好地激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望.同時還可以豐富中學物理實驗教學的內(nèi)容和形式，進一步促進學生的全面發(fā)展，促進教師的專業(yè)成長和辦學特色方面均具有重要的意義[3].如何開發(fā)和利用民族特色實驗教學資源已成為許多教育工作者十分關注的問題[4].因此，本文以藏族文化生活為出發(fā)點，開發(fā)具有藏族特色實驗資源的三種案例，有效地將民族文化融入中學物理實驗教學中，充分發(fā)揮民族特色的優(yōu)勢、并對中學物理實驗教學改革和民族教育的快速發(fā)展起到一定的促進作用[5].

1 藏族生活的中學物理實驗資源開發(fā)

1.1 利用轉(zhuǎn)經(jīng)筒開發(fā)圓周運動實驗資源

人教版新課標高中《物理》第一冊第五章“曲線運動”的第五節(jié)內(nèi)容是“向心力 向心加速度”，實驗部分向心力演示器選作為實驗儀器，如圖1所示.該儀器操作較為復雜，會使學生產(chǎn)生畏難抵觸情緒，容易導致學生的學習效果達不到要求.

而藏族宗教文化中的轉(zhuǎn)經(jīng)筒就是其中一個蘊藏圓周運動實驗課程資源的實例，轉(zhuǎn)經(jīng)筒有大有小，小的可以握在手里.藏族人民手中搖動的轉(zhuǎn)經(jīng)筒叫做“手搖嘛呢輪”，如圖2所示. 嘛呢輪以金、銀、銅等為材質(zhì)，主體呈圓柱形，圍繞中間的一個軸來旋轉(zhuǎn).圓柱上刻有藏傳佛教的六字真言.每轉(zhuǎn)一輪都相當于背誦一篇經(jīng)文.每次轉(zhuǎn)到一定的周期，都要更新，這樣便能知道轉(zhuǎn)了的圈數(shù).

“嘛呢輪”大部分藏族學生都較為熟悉，其中蘊含著圓周運動的物理原理，如果用其分析和講解圓周運動中“向心力的大小與哪些因素有關”的內(nèi)容，能使學生容易掌握該向心力的概念和運動規(guī)律，更能激發(fā)學生學習物理的興趣.下面我們以嘛呢輪為例開發(fā)物理實驗資源，講解圓周運動。

圖1向心力演示器圖2手搖嘛呢輪

通過對之前教學內(nèi)容的學習，我們知道了描述圓周運動的快慢有兩個物理量，即線速度v和角速度ω.其中線速度v為物體運動通過的弧長與所用時間的比值來量度，單位是m·s-1，角速度ω為物體與連線掃過角度的快慢，單位是rad·s-1.

v=Δs/Δt

(1)

ω=Δθ/Δt

(2)

其中弧長Δs=rΔθ，代入(1)，得

v=rω

(3)

這表明，在圓周運動中，線速度的大小等于角速度與半徑的乘積.

根據(jù)加速度的定義與式(1)、式(3)聯(lián)立可得向心加速度，單位是m·s-2

(5)

已知向心加速度，再根據(jù)牛頓第二定律可得向心力的表達式

(6)

我們以“手搖嘛呢輪”的例子來分析探究小墜子旋轉(zhuǎn)運動情況，演示旋轉(zhuǎn)嘛呢輪，讓學生分組討論其受力和運動情況.這樣會使學生認識到這種運動結(jié)果是受到重力、拉力和向心力的結(jié)果.

向心力是個效果力，實際上，它只受重力和繩的拉力(忽略阻力)，這兩個力的合力起到了向心力的作用.然而，轉(zhuǎn)動“嘛呢輪”的時候，向心力僅僅是拉力的一個分力，其受力分析如圖3所示.小墜子對圓筒的拉力，F(xiàn)τ為拉力的切線方向上的分力，F(xiàn)n就是指向圓心的分力，即向心力.r為細繩的長度，也就是“經(jīng)筒”起初做圓周運動的半徑.

旋轉(zhuǎn)過程中，速度越快，r越大，這時墜子運動的圓周平面就越偏上.速度越慢，r越短，墜子運動的圓周平面就越偏下.

我們可以通過改變珊瑚墜子的長度、珊瑚的質(zhì)量以及改變轉(zhuǎn)速，分析“嘛呢輪”所受向心力以及與向心力有關的因素，向心力的大小等.如果給定墜子懸繩長度r，珊瑚的質(zhì)量m、“嘛呢輪”轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速ω，我們討論這三個物理量和向心力之間的關系.如果我們改變其中一個物理量，“嘛呢輪”所受向心力會有怎樣的改變？可以設定如下的實驗內(nèi)容和步驟.

圖3 轉(zhuǎn)經(jīng)筒受力分析圖

1) 增加或減小旋轉(zhuǎn)角速度，定性觀察向心力是增大還是減小.

2) 改變半徑r，使角速度恒定，觀察向心力如何變化.

3) 改變珊瑚球的質(zhì)量m，保持半徑r和角速度ω不變，向心力又如何變化.

通過實驗就可以得出實驗結(jié)論：向心力Fn的大小與物體的質(zhì)量m、半徑r和角速度ω都有關.

1) 當半徑和角速度恒定時，質(zhì)量越大，所需的向心力就越大.

2) 向心力的大小與轉(zhuǎn)速有關，角速度越大，向心力也越大.

3) 當質(zhì)量一定時，運動半徑越小，“嘛呢輪”所需的向心力就越小.

做這個實驗的時候，為了安全起見，用一根結(jié)實的細繩吊珊瑚球，避免轉(zhuǎn)動過程中細線中斷而珊瑚球甩出去，碰到人或其他物體.

學有余力的同學，還可以拓展實驗內(nèi)容.調(diào)節(jié)小墜子的線長為50 cm，握住手柄，并盡量使圓筒和小墜子在一個水平面內(nèi)做勻速圓周運動.此時圓筒和經(jīng)書成為珊瑚錐子圓周運動的向心力.記錄圓筒和墜子保持均勻轉(zhuǎn)動的頻率.調(diào)節(jié)水平部分線的長度，使旋轉(zhuǎn)半徑先增加1/2倍，然后再減小1/2，分別算出使小墜子仍能做勻速轉(zhuǎn)動的頻率.看頻率的增減與旋轉(zhuǎn)半徑的變化相同還是相反？是否成正比？

1.2 利用耱探究壓強的實驗資源

圖4 耱的實物圖

耱是一種農(nóng)具，藏語叫做夏相，實物如圖4所示.由手指粗細的樹枝組成，用來打磨耕地，使地面土塊變得更細碎[6].春季澆灌農(nóng)田后，藏區(qū)農(nóng)民在耕種前用它來打平土地并保存土壤水分.當使用時，把它平放在一塊耕地上，以騾、馬、牛工具向前拉，操作者站在上面，或在上面放石頭以增加土壤表面的壓力.

壓強是中學力學部分的重要內(nèi)容，主要講述壓強的概念，壓強的大小跟哪些因素有關，增大與減少壓強的主要方法，這也是以后學習液體壓強與氣體壓強的基礎，在生產(chǎn)和生活實際中有廣泛的應用.下面我們以耱為例探究影響壓力作用效果的因素.其實驗內(nèi)容為：

1) 在相同的受力面積情況下，觀察不同壓力的耱?qū)溙锉粔合碌纳顪\程度，進而來判斷壓力的作用效果跟壓力大小的關系.

2) 在相同壓力情況下，不同受力面積的耱?qū)ν粮泶窕蛞黄恋乇粩D壓而發(fā)生形變的程度或破壞(輾碎)程度，來判斷壓力的作用效果跟受力面積的關系.

實驗步驟：①如圖5中的圖甲和乙所示，在受力面積相同的情況下，研究壓力與壓力的作用效果的關系.如圖甲所示，把耱放在一壟土疙瘩上，觀察壓力的作用效果，即土疙瘩被壓碎程度.如圖乙所示，在耱上放幾個磚頭，觀察此時土疙瘩壓碎程度并與圖甲的輾碎情況對比.②如圖甲和圖丙所示，在壓力相同的情況下，研究壓力的受力面積與壓力的作用效果的關系.如圖丙所示，將耱放在土地上，觀察此時耱陷入土地的深度或壓碎程度，并與圖甲的情況對比.

(甲)空耱壓在單個土塊上 (甲)磚塊壓在耱上 (丙)耱壓在一片細土

圖5影響壓力作用效果圖

1) 比較壓力相同時，一小土塊所受到的壓強效果明顯還是一片土地上的壓強效果明顯？

2) 受力面積一定的時候，耱上放一塊石頭所受的壓強效果明顯還是不放石頭時的壓強效果明顯？

設耱重為G耱，一片土地的受力面積為S土地，土疙瘩的面積為S土疙瘩.由表1可以看到，在相同的受力面積下，壓力越大，土疙瘩被壓碎的效果就越明顯.在相同的壓力下，壓力的受力面積較小，壓力的影響更為明顯.

表1壓力作用數(shù)據(jù)表

由該實驗我們可以得出，壓力的作用效果與壓力的受力面積有關.受力面積一定時，壓力越大，壓力作用效果越顯著，壓力一定時，受力面積越小，壓力的作用效果越顯著.

該實驗取材方便、安全性好、操作簡單、容易激發(fā)學生的興趣.

通過壓強與壓力的關系，我們分析在牧區(qū)扎帳篷的時候，木釘嘴尖的部位朝下插的時候，就能很輕松地戳進去，而木釘翻過來插的時候，怎么插都插不進去.因為木釘?shù)淖旌芗?，意味著受力面積小，壓強大，很容易插進去.翻過來插的時候，受力面積變大了，壓強小，很難插進去.所以通常牧民們會把制作木釘?shù)臅r候，釘子口做的很尖.還有一種情況是，木釘往下壓的過程中，讓一個小孩和大人來壓，壓的深淺不同，因為小孩體重明顯比大人輕，所以壓的程度也沒有大人的深.這說明受力面積相同的時候，壓力越大，壓力作用效果越明顯，即壓強越大.

1.3 利用牛皮船開發(fā)浮力教學資源

教學過程中當遇到實際問題給學生講解時，教師應該結(jié)合實際問題設計案例，鞏固理論知識的同時，可提高學生解決問題的能力，培養(yǎng)探究問題的能力.在八年級學生中，學習探究影響浮力的因素，我們可以通過分析牛皮船的物理原理來開發(fā)實驗資源.

牛皮船是藏族人民長期生活經(jīng)驗的智慧結(jié)晶，船體采用堅硬而有彈性的樹木做骨架，把牦牛皮泡在水里，待皮上的毛全部撥掉后、將四張牛皮并對縫起來.趁牛皮濕時，將其包在骨架上，用牛皮繩子捆緊繃好；曬干、擦油定型后，用牛油、羊油堵住縫口，使之密封避免進水[7].牛皮船呈梯形，實物圖如見圖6.

圖6 牛皮船實物圖

在桑耶寺壁畫中，早期吐蕃牛皮船是一艘圓形的圓底船，船內(nèi)只容納三四個人.近代牛皮船為梯形船，比早期牛皮船大一倍，船內(nèi)可容納七八個人[8].牛皮船上載的人和裝的貨物都比水重，但裝了那么多東西的船為什么卻不會沉底？通過這個生活實例給學生講解“物體在液體中受到的浮力等于物體排開液體的重力”，即

F浮=G液排=ρ液gV排

我們使用一個小鐵球，把它放在水上，它就立刻沉下去了.如果我們把這塊鐵球裝入牛皮船內(nèi)，再放到水上，雖然重力沒有變，但它卻能漂浮在水面上.而且即使往牛皮船里加點貨物，牛皮船也只是下沉一點點，但仍能漂浮在水面上.這是由于牛皮底部受到水的壓力，即豎直向上的浮力造成的.當浮力等于貨物的重力時，船被支承在水面上，浮力隨著排開液體的重力的增加和物體底部面積的增加而增加.

圖7 牛皮船的受力圖

牛皮船底部面積越大，牛皮船排開水的重力就越大，它所受的浮力也就越大，即使牛皮船裝載了大量貨物，也不會沉到底部.

我們可以拓展分析，圖6所示的牛皮船中，上下寬分別為1.5 m和1 m ，假設一個成年男子體重為75 kg，試推算出該船最多能乘坐幾個人？

分析牛皮船的受力如圖7所示，如果船的上下底的寬分別為b和a，則水的密度

ρ水=1.0×103kg/m3

代入數(shù)據(jù)，得

S=(1+1.5)×2/2=2.5m2船在水中的體積

V=S·h=2.5×1=2.5×1=2.5m3

則排開水的質(zhì)量

m=ρ·v=1.0×103kg/m3×2.5m3能乘坐的的人數(shù)

N=2.5×103kg/75kg=33(人)

討論：為了安全起見，一般船的吃水深度不能超過0.7m，則排開水的體積

V=S·h=2.5×0.7=1.75m3

能乘坐的的人數(shù)

N=1.75×103kg/75kg=23(人)

通過以上計算，該牛皮船最多能安全載23人渡河.

2 結(jié)語

從藏族文化生活中開發(fā)實驗資源，能切實體現(xiàn)物理學源于生活的理念，為藏族地區(qū)物理課程改革的順利實施注入生機和活力，也有利于提高藏族地區(qū)的中學物理實驗教學質(zhì)量，激發(fā)學生對物理知識的學習興趣，同時還可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神并運用所學的物理知識，分析解決實際問題的能力，從而更加有效地提高學生的科學文化素養(yǎng).

從物理學的角度觀察、探索、挖掘與學生生活息息相關的中學物理實驗課程資源，并把自主開發(fā)的實驗資源真正落實到中學物理實驗教學中，讓學生能夠?qū)ξ锢韺W習產(chǎn)生興趣，讓學生發(fā)現(xiàn)問題并能培養(yǎng)學生解決問題的能力，是課程資源開發(fā)的重要任務.

[1] 教育部.全日制義務教育物理課程標準 (實驗稿 )[ M].北京：北京師范大學出版社，2001：38.

[2] 李瓊鋒. 初中物理實驗資源開發(fā)與利用[J]. 中學教學參考，2014，(17)：63-63.

[3] 吉日嘎拉，孫詠萍. 基于蒙古族民俗文化的中學物理課程資源的開發(fā)與利用[J].內(nèi)蒙古師范大學學報(教育科學版)，2013，26(2)：114-117.

[4] 六十一.基于蒙古族文化生活的中學物理實驗資源開發(fā)與利用，[D].內(nèi)蒙古師范大學，2009.

[5] 趙海燕.新課程理念下初中物理實驗課程資源開發(fā)與利用實踐與研究 [D].內(nèi)蒙古師范大學，2007.

[6] 陳學仁，郭學芳. 淺談土壤耕作中的耙耱在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用[J].農(nóng)學學報，2006，(7)：74-74.

[7] 張婧璞. 西藏“一江兩河”中部流域的“牛皮船文化”——以拉薩市曲水縣俊巴漁村為例[J].文化遺產(chǎn)，2016，(6)：68-81.

[8] 丹珠昂奔.藏族文化發(fā)展史[M].蘭州：甘肅教育出版社，2001：1.