彭军凯

摘 要： “功”是八年级物理教学中极易出错和难以掌握的一个重要概念，又是一个复合型的物理概念，既涉及距离，又涉及力.同时功的概念比较抽象，物理中的“功”与生活中的“功”有实质性区别，且学生没有学习能的转化相关知识，很难认识“功”.理解不了的学生只能死记概念，导致在后续的学习过程中不能靈活应用.本文试着设计新的实验，让学生经历探究过程和科学思维过程，克服学生的思维障碍，自主建立功的概念.

关键词： 功的概念;思维障碍;实验设计

1 教材现状分析

笔者查阅多版现行初中物理教材发现，大部分在简单描述现象后便直接提出功的概念，缺乏思维过程，缺乏对功的物理意义的描述.因此，学生只是处于机械的识记状态，并不能真正地接受功的概念.只有2012年苏科版教材使用斜面从功的原理角度设计实验建立功的概念.但是学生之前没学习过斜面，且苏科版中三次提升的不是同一重物，没有突出 Fs 不变的思想，而且由于斜面本身因素 Fs 与 Gh 相差较大，学生在总结规律、建立概念的过程中仍有困难.

2 学生的思维障碍

直接提出功的概念，既不符合新课改理念，又给学生理解功的概念造成一定困扰，并且功是一个复合型的物理概念，既涉及距离，又涉及力.功的概念比较抽象，物理中的“功”与生活中的“功”有实质性区别，且学生没有学习能的转化相关知识，很难认识“功”，因此学生建立功的概念有一定的思维障碍.

对学生而言，建立功的概念主要障碍在于：（1）理解功的意义;（2）理解功的定义中“距离”必须是“力的方向上通过的距离”;（3）理解为什么把“力与物体在力的方向上通过的距离的乘积”定义为功.

3 如何克服学生思维障碍

要克服学生思维障碍，必须以学生的感性经验为基础，寻找学生的最近发展区，可以让学生在自主探究的过程中自主建构知识.

学生的最近发展区是什么呢？ 以北师大版教材为例，学生虽然已经学习了运动和力、杠杆和滑轮等知识;有一定的实验探究经验，能组装简单滑轮组，知道使用简单机械可省力而费距离，但对于力与距离的具体关系并不明确.如果能探明力与距离的具体关系，就能在此基础上理解功的意义.

如何理解功的意义呢？

理解功的意义，首先在于理解“距离”必须是“力的方向上通过的距离”.因此可以设计实验使物体在力的方向上移动一段距离，让学生在多次实验中感受这个过程，使之由感性经验上升为理性认识.

理解功的意义，关键在于理解“为什么把力与物体在力的方向上通过的距离的乘积定义为功”.可以借用学生对“力与距离的具体关系”的困惑提出问题，进行探究.明确了力与距离的关系（即力与距离的乘积不变，是定值），就明确了力与物体在力的方向上通过的距离的乘积的意义，也就明确了功的意义.

那么如何让力与物体在力的方向上通过的距离的乘积保持不变呢，只有在理想情况下，使用简单机械将重为 G 的物体提升 h 时， Fs 将与 Gh 相等，从而保持不变.得到 Fs 是一个不变量，学生就易于理解“力与物体在力的方向上通过的距离的乘积”是一个有意义的物理量，从而建立功的概念.为了保证 Gh 不变，从而保证 Fs 不变，可采用简单机械提升同一重物到同一高度.

4 如何设计实验

4.1 选择何种简单机械

如选杠杆提升重物，则存在如下缺点：（1）力的作用点移动的轨迹是曲线，为学生理解“在力的方向上移动的距离”增加了难度;（2）在测量物体及力的作用点移动的距离时，操作比较困难;（3）提升重物的高度受到限制，需要用较长的杠杆.

如选斜面，则存在如下不足：（1）学生没有学过斜面，增加了学习难度;（2）实验应选用摩擦较小的四轮小车，但在测量小车沿斜面移动的距离 s 和小车被提升的高度 h 时，应将小车看作质点，但小车的重心不容易确定，所以测量小车沿斜面移动的距离和被提升的高度 h 均比较困难，导致 Fs 与 Gh 差别较大.

如果选择滑轮的优势：（1）拉力的方向与拉力作用点移动的距离在同一直线上，便于学生克服思维障碍;（2）物体上升的距离和拉力作用点移动的距离，都容易测量，只需一把米尺;（3）学生已学过滑轮的相关知识和技能.所以选择滑轮提升重物比较合适.

4.2 实验的优化设计

（1）为使滑轮组的组装更容易，并且尽可能减小细绳与滑轮的摩擦，采用 n =2，3，4的简单情况（向上拉）进行探究，如图1所示.

（2）为保证 Gh 不变，从而保证 F s是不变量，采用滑轮提升同一重物到同一高度.

（3）由于无质量的动滑轮不存在，故把物体与两个动滑轮当作一个整体，计其总重为 G ，以减小 Fs 与 Gh的 差别，如图2所示.

（4）为减小弹簧测力计的读数误差，采用竖直向上缓慢拉弹簧测力计的方式，并采用尽可能重的物体（选用四个约200g的钩码）.

（5）为了便于测量上升的距离，在钩码和弹簧测力计上都安装轻质细指针，如图3所示.

4.3 实验器材的选择

根据以上设计，选用如下器材：一个定滑轮、两个连在一起的动滑轮、10N弹簧测力计（带轻质指针）、四个200g钩码（带轻质指针）、木质米尺、细线、铁架台等.

5 如何进行实验

（1）把木质米尺竖直固定在铁架台上，用调好的弹簧测力计测量四个钩码和两个动滑轮的重量记为 G .

（2）安装好动滑轮，用一个动滑轮竖直向上提升重物.弹簧测力计竖直向上缓缓拉动，直到把重物提升0.1m，记录弹簧测力计缓慢移动过程中的示数为 F₁ ，弹簧测力计移动的距离为 s₁ .

（3） 保持重物不变，用一个动滑轮和一个定滑轮构成的滑轮组向上提升重物，弹簧测力计竖直向上缓缓拉动，直到把重物提升0.1m，记录弹簧测力计缓慢移动过程中的示数为 _F2 ，弹簧测力计移动的距离为 s₂ .

（4） 保持重物不变，用两个动滑轮和一个定滑轮构成的滑轮组向上提升重物，弹簧测力计竖直向上缓缓拉动，直到把重物提升0.1m，记录弹簧测力计缓慢移动过程中的示数为 F₃ ，弹簧测力计移动的距离为 s₃ .

（5）将测量的数据记录在表1中.

6 功的概念的建立

学生在多次实验过程中体验到拉力作用点移动的距离一直沿着拉力的方向，这就为学生理解“‘距离必须是‘力的方向上通过的距离”提供了认知基础，有效克服第二个思维障碍;并且总结数据规律时发现 Fs 与 Gh 近似相等，是一个不变量，从而得出结论：力与物体在力的方向上通过的距离的乘积，是不变量;在物理学中，称这一乘积为功.

通过实验探究，学生很好地理解了功的物理意义，理解“力与物体在力的方向上通过的距离的乘积”的意义，从而克服学生建立功的概念的思维困难，有效建立功的概念.

进一步结合物理学史，描述功的意义和由来.“功的概念起源于早期工业革命的需要，当时的工程师们需要有一个比较蒸汽机效益的办法.在实践之中大家逐渐同意用机器举起的物体的重量与高度之积来量度机器的输出，并称之为功”[1].科里奥利在“论刚体力学及机器作用的计算”一文中，明确地把作用力和受力点沿力的方向的可能位移的乘积叫做“运动的功”[2].

通过物理学史的学习，学生进一步升华对功的概念的认识，使功的概念建立更有说服力.

7 实验价值

此实验从学生已有知识技能出发，引导学生发现问题，经历科学探究过程和科学思维过程，概括实验事实，得出新见解，体会研究问题的方法——乘积定义法，促进学生对功的概念的理解，促进学生科学思维能力的发展，也让学生体验到学习的成就感，激发学生进一步学习功的积极性.并且整个实验过程，既实现了自主课堂，并且体现出科学探究彰显的创新意识和实践能力，有利于培养学生的核心素养.

参考文献：

[1]赵凯华，张维善.新概念高中物理读本（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2006.

[2]向义和.物理学基本概念和基本定律溯源[M].北京：高等教育出版社，1994.