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物理教學(xué)論文：搭上實驗翅膀飛入習題深處
物理教學(xué)論文：搭上實驗翅膀飛入習題深處張玉成
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在新課程理念的催生下，教學(xué)內(nèi)容的生活化、教學(xué)方式的活動化、教學(xué)過程的情境化，越來越多地出現(xiàn)在物理課堂教學(xué)中，如果在物理習題教學(xué)中融入豐富多彩的實驗，可以增強學(xué)生的感性認識，有助于理解習題情境，實現(xiàn)知識的應(yīng)用和升華，能夠培養(yǎng)學(xué)生利用實驗來解決問題的能力．
一、演示實驗，驅(qū)動問題生成
問題是思維的發(fā)動機，運用演示實驗可為學(xué)生提供一個模擬實際的情境，增強“刺激的新異性和變化性”，進而驅(qū)動問題生成．
案例1如圖1所示，質(zhì)量為肘的框架放在水平地面上，一輕彈簧上端固定在框架上，下端固定一個質(zhì)量為m的小球，小球上下振動時，框架始終沒有跳起，當框架對地面壓力為零瞬間，小球的加速度大小為
上課伊始老師可用木條和彈簧制作一個框架裝置進行演示，由于木框架質(zhì)量不大，當所掛球的質(zhì)量及彈簧形變量達到一定程度時，框架會在地面上“跳躍”起來，形象地展示對地面壓力為零的可能，簡單的實驗情境，直觀的實驗現(xiàn)象，學(xué)生的注意力自然聚集到一個思維點：框架何時對地面壓力為零，從而引發(fā)探究問題的生成。
二、探究實驗，尋找解題入口
心理學(xué)研究表明：學(xué)生對動手操作過或描述過的能記住90%，因此在物理教學(xué)中應(yīng)盡可能地創(chuàng)造條件，讓學(xué)生動手操作，在親身體驗中去領(lǐng)悟物理道理．
案例2如圖2所示，晾曬衣服的繩子輕且光滑，懸掛衣服的衣架的掛鉤也是光滑的，輕繩兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點，衣服處于靜止狀態(tài)．如果保持繩子A端位置不變，將B端分別移動到不同的位置．下列判斷正確的是
A．桿不動B端上移到Bi位置時，繩子張力變大
B．桿不動B端上移到B2位置時，繩子張力變小
C．B端在桿上位置不動，將桿移動到虛線位置時，繩子張力變大
D．B端在桿上位置不動，將桿移動到虛線位置時，繩子張力變小
本題研究掛鉤作用下的細線張力問題，教學(xué)過程中可把原題改變成一個實驗研究的課題（如圖3所示）．當細線固定在A、B兩端時處于松軟狀態(tài)，現(xiàn)在細線上懸掛砝碼，研究下列問題：(1)通過測量，計算出細線受到的張力；(2)若保持B點不動，移動A的高低時，滑輪如何運動？此時細線與水平方向夾角是否改變？在實驗研究過程中，還適時地提出了一些階段性的研究問題：(1)若A、B等高，滑輪停在哪里？若A、B不等高，則滑輪停在哪里？小滑輪停的位置有何規(guī)律?(2)細線水平方向夾角如何測量？通過上述實驗研究學(xué)生找到了答案，也真正找到了解決這類問題的切入口。
案例3(2004年全國高考卷)如圖4所示，ad、bd、cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細桿，a、b、c、d位于同一圓周上，a點為圓周的最高點，d點為最低點．每根桿上都套著一個小滑環(huán)（圖中未畫出），三個滑環(huán)分別從a、b、c處釋放（初速為0），用t1、t2、t3依次表示滑環(huán)到達d所用的時間，則
A．t1<t2<t3B．t1>t2>t3
C．t3>t1>t2D．t1=t2=t3
解題前可先讓學(xué)生在“課外小實驗”活動室中完成如下實驗：圖5中用自行車圈作圓周，用光滑細鐵絲作弦，三個小球穿在鐵絲上，將三個小球同時從頂點A處由靜止釋放，發(fā)現(xiàn)三個小球同時到達圓周最低點（可聽到同時撞擊聲）．學(xué)生對觀察結(jié)果感到驚訝，推動思考：位移大的為什么會和位移小的下滑時間相同呢？加速度大小差別與什么有關(guān)？位移大小與什么有關(guān)？學(xué)生還會自覺將裝置倒放，使三球逆向運動，發(fā)現(xiàn)三個小球同樣同時到達圓周最低點．于是學(xué)生便會得到結(jié)論：物體沿著位于同一豎直圓上的所有光滑弦由靜止下滑，到達圓周最低點的時間相等（這樣的豎直圓簡稱為“等時圓”）。
學(xué)習任何東西的最好途徑是自己去發(fā)現(xiàn)（波利亞語），通過探究實驗可讓學(xué)生“從做中學(xué)”，感悟物理模型，注重知識的“動態(tài)構(gòu)建”，體驗成功的喜悅并轉(zhuǎn)化為進一步學(xué)習的動力。
三、設(shè)計實驗，深化問題認識
案例4（2010年浙江高考理綜卷）如圖6所示，A、B兩物體疊放在一起，以相同的初速度上拋（不計空氣阻力），下列說法正確的是
A．在上升和下降過程中A對B的壓力一定為零
B．上升過程中A對B的壓力大于A物體受到的重力
C．下降過程中A對B的壓力大于A物體受到的重力
D．在上升和下降過程中A對B的壓力等于A物體受到的重力
本題涉及一個物理學(xué)的“相異框架”思維問題，學(xué)生對生活中的經(jīng)驗加以推廣，導(dǎo)致了對問題理解的偏差．因為在將物體拋出的過程，人只能感受到物體在離手之前的作用，(教學(xué)論文 www.gymyzhishaji.com)離開手之后的情況，則需要去推測、想象．在課堂上筆者并沒有發(fā)表自己的觀點，而是向?qū)W生提出要求：你能否設(shè)計一個實驗，驗證你的推測。
課后幾個課題小組認真研究與設(shè)計，提出了他們的實驗方案并成功演示，從而深化了對拋體運動過程中壓力不存在的認識，
方案1：磁體吸攏實驗
如圖7所示，把兩個圓形磁體套在一根塑料棒上，異名磁極相對并盡量靠近，直至要發(fā)生吸攏為止，實驗時讓塑料棒從約2m的高處由靜止開始豎直向下運動，就會發(fā)現(xiàn)兩塊磁體吸攏，并發(fā)生“咔噠”的撞擊聲，然后在斜向下方運動、豎直向上運動等等實驗過程中磁體均發(fā)生吸攏現(xiàn)象，原因就是運動過程中磁體與棒間的彈力消失，使靜摩擦力不復(fù)存在。
方案2：音樂卡片實驗
在一個平底吊盤上放一個重物m．把生日音樂卡片A壓在重物m和吊盤之間，如圖8所示，外露發(fā)光二極管．卡上設(shè)置的開關(guān)處于自然狀態(tài)時開關(guān)閉合，二極管隨著音樂節(jié)奏發(fā)出炫目的光．當有重物放在它上面時開關(guān)斷開，卡“偃旗息鼓”，這樣卡的開關(guān)直接受重物m的壓力控制．在吊盤C正下方放一塊海綿來接收、緩沖．實驗時用手提著盤的吊線慢慢下降時“風平浪靜”，說明重物m受到支持力．一旦松手釋放重物和盤一起做自由落體運動，音樂卡隨即熱鬧起來，有聲有色；直到剛一接觸海綿立刻“無聲無息”，說明重物m又恢復(fù)受支持力作用。
“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行�！弊寣W(xué)生扮演“工程師”角色，在教師引導(dǎo)下，自覺投入到實驗的設(shè)計、分析、驗證和改進的研究中，從而使學(xué)生將學(xué)到的知識得以鞏固、擴散與升華，實踐能力得以提高．并且通過最富創(chuàng)意方案的評選，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識與參與熱情。
四、驗證實驗，求證習題答案
著名物理學(xué)家朱正元教授曾說：“說一千，道一萬．不如實驗看一看，”物理習題教學(xué)時還可通過實驗驗證習題答案．
案例5（2010年全國高考卷Ⅱ）小球A和B的質(zhì)量分別為mA和mB，且I1ZA>m8.在某高度處將A和B先后從靜止釋放．小球A與水平面碰撞后向上彈回．在釋放處下方與釋放處距離為h的地方恰好與正在下落的小球B發(fā)生正碰．設(shè)所有碰撞都是彈性的，碰撞時間極短，求小球A、B碰撞后日上升的最大高度。
選擇組合：
分析可知，除了彈性要好以外，下面的球質(zhì)量要大一些，經(jīng)多次實驗，最終確定的兩個組合：乒乓球和彈力球；橡膠球和彈力球。
實驗步驟：
(1)把一只乒乓球從10cm處（過高很難實現(xiàn)對心碰撞，因為乒乓球受空氣阻力的影響較大）的高度釋放，落到事先放在講臺上的堅硬的玻璃上．發(fā)現(xiàn)第一次反彈后可以達到接近釋放時的高度，但無論如何不會超過這個高度（在這一高度上平放一板擋著）。
(2)取彈力球，從相同高度釋放，反彈后的高度比乒乓球的反彈高度略低。
(3)把乒乓球放在彈力球上面，讓它們從原來高度落下，落地反彈以后，令人吃驚的是：乒乓球比單獨下落跳的更高（能碰到20cm處的板，甚至更高）。
(4)叁照上述做法，選用橡膠球和彈力球組合，將兩者由1m處的釋放，會發(fā)現(xiàn)彈力球反彈后會跳的更高，最高能碰到3.5m的天花板。
眾目睽睽之下學(xué)生見證奇跡發(fā)生——小球反彈的高度大大超出自由下落的高度！“信其道，親其師”，筆者還清晰地記得當時做實驗時學(xué)生的興奮之情，可謂溢于言表。
五、拓展實驗．質(zhì)疑習題情景
思考問題時，如果沒有考慮清楚實際的物理情境，往往會得出錯誤的結(jié)論，即使在高考命題或各地調(diào)研試題中，這種情況也會出現(xiàn)．下面這則案例中對于習題情境的質(zhì)疑物理實驗就成為最好的解決利器。
案例6裝飾用的彩燈，串成一串串，接在220V電源上，觀察燈的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，每個燈的燈絲(Ri)引線上方繞有金屬電阻絲(R2)，如圖10所示，即使R1斷了，R2仍能導(dǎo)電．根據(jù)工作特性，Rt應(yīng)該____R2：（填“大于”“等于”或“小于”），當其中一個或幾個燈的燈絲斷了，其余的燈將____（填“變亮”“變暗”或“完全熄滅”）。
該題是2010年上海市某區(qū)高考調(diào)研試題，題目提供的答案為：Ri應(yīng)該小于R2，當其中一個或幾個燈的燈絲斷了，其余的燈將變暗．果真如此嗎？有些學(xué)生對題目情境提出了質(zhì)疑．為此筆者利用如圖11所示的節(jié)日彩燈引導(dǎo)學(xué)生觀察閃爍的彩燈熄滅幾只后，其余彩燈的亮度及其閃爍頻率的變化？
實驗表明：其中一個小彩燈的燈絲斷裂后，其余的小彩燈還能繼續(xù)發(fā)光并且會比原來更亮，閃爍的更快．顯然題目創(chuàng)設(shè)的情境是錯誤的。
筆者尋找錯誤背后隱含的教育價值，引領(lǐng)學(xué)生從錯中求知，從錯中探究，問題的奧妙源自小彩燈的特殊構(gòu)造．如圖12所示是一款規(guī)格為“2.5V．0.25A”小彩燈的“解剖圖”：在燈絲導(dǎo)電支架上除了有燈絲和起固定作用的小玻璃珠以外，還繞有約4圈細金屬絲．燈絲電阻冷時約為2.5Ω，熱時約為15Ω，細金屬絲的電阻為1Ω，正常（低壓）情況下，由于支架表面有一層氧化銅涂層的緣故，它與燈絲支架是不導(dǎo)通的．若加上較高的電壓（如220V）時氧化層可被擊穿，細金屬絲與燈絲支架導(dǎo)通．當某個小彩燈的燈絲燒毀時，其間形成斷路，220V電壓就直接加到細金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架之間，瞬間擊穿那段細金屬絲的氧化銅涂層，細金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架導(dǎo)通，這樣其他小彩燈就能繼續(xù)工作．但由于細金屬絲的電阻較小，剩余燈泡兩端各自分擔的電壓就多了，所以會比原來更亮．
彩燈能夠閃爍完全歸功于如圖13甲所示的與眾不同的“跳泡”，在常溫下跳泡中間豎立的雙金屬片和旁邊的倒L形引線接觸在一起，電流通過燈絲時，燈絲發(fā)熱發(fā)光，右側(cè)的雙金屬片受熱膨脹向右彎曲，如圖13乙所示，使電路斷開，整串彩燈都不發(fā)光；斷電后，右側(cè)雙金屬片受冷收縮后又向左側(cè)彎曲，使電路變成通路，整串彩燈發(fā)光．當其中一個或幾個燈的燈絲斷了后整個電路電阻變小，電流變大，根據(jù)焦耳定律燈絲產(chǎn)生的熱量增大，可以更快的使雙金屬片受熱彎曲，雙金屬片受熱形變頻率加快導(dǎo)致跳泡通斷的頻率加快，所以其他彩燈閃爍得更快。
英國科學(xué)家波義耳說：“知識應(yīng)該從實驗中來，實驗是最好的老師�！弊鳛橐晃晃锢斫處�，如果能夠給學(xué)生提供多彩的課程資源，創(chuàng)設(shè)人性化的學(xué)習環(huán)境，跳出題目和公式的藩籬，讓學(xué)生在“自然”的“原始”的條件下學(xué)習，才能真正享受到學(xué)習的樂趣，領(lǐng)略物理的魅力與美麗。
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