王義梁

(江蘇省錫山高級(jí)中學(xué),江蘇 無(wú)錫 214174)

關(guān)注趣味物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)

王義梁

(江蘇省錫山高級(jí)中學(xué),江蘇 無(wú)錫 214174)

趣味物理實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)和課堂應(yīng)用被日益重視,但趣味物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)還沒有得到足夠關(guān)注．本文從趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)的定性、定量、拓展探究等方面分別展示了幾個(gè)案例．

趣味實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 定性； 定量； 探究； 案例

1 引言

在物理教學(xué)中,教師經(jīng)常用趣味物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境,制造奇妙的現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣,達(dá)到更好的課堂效果．如今,有很多教師使用趣味實(shí)驗(yàn)建構(gòu)習(xí)題中特定的模型,幫助學(xué)生理解抽象的物理概念．筆者所在學(xué)校開設(shè)了物理的拓展課程——趣味物理實(shí)驗(yàn),建立開放性實(shí)驗(yàn)室,利用趣味實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,激活學(xué)生思維,提高創(chuàng)新能力,同時(shí)讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的本質(zhì)．

在趣味物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中,不能只專注于向?qū)W生展示神奇的現(xiàn)象,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,從而導(dǎo)致對(duì)于解釋現(xiàn)象背后的本質(zhì)及物理規(guī)律過于籠統(tǒng)．實(shí)驗(yàn)和理論關(guān)系密切,不可分割．筆者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)總結(jié)規(guī)律,建立理論,通過理論預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)并修正理論．教師和學(xué)生都應(yīng)該積極關(guān)注趣味物理實(shí)驗(yàn)中的物理知識(shí),這也有利于開展關(guān)于趣味物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究活動(dòng),體會(huì)科學(xué)方法和過程．筆者結(jié)合自己的教學(xué),分享幾個(gè)趣味物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例．

2 定性分析趣味實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

趣味物理實(shí)驗(yàn)案例1:小兔下坡.

如圖1所示，在一斜坡上放置一只玩具小兔,手松開后小兔雙腳連續(xù)不斷地分開、合攏,前后搖擺走下斜坡．對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象,我們通常用重心和能量轉(zhuǎn)移來(lái)解釋,沒有具體分析下坡的物理過程．

圖1 小兔下坡

引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察玩具,就會(huì)發(fā)現(xiàn)小兔的兩只腳中,只有后面一只是活動(dòng)的．小兔下坡的動(dòng)作是不斷重復(fù),具有周期性的．為了對(duì)其進(jìn)行定性分析,將小兔頭部處于最低點(diǎn)到處于最高點(diǎn),再到最低點(diǎn)的過程看做一個(gè)周期．

小兔頭部處于最低點(diǎn)時(shí),兩腳并攏,前腳為支撐,重心在前腳后方,使小兔向后擺動(dòng),兩腳分開,重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,使后腳作為支撐．由于慣性,小兔以后腳為支撐繼續(xù)向后擺動(dòng),動(dòng)能向重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變,直到尾部與斜坡碰撞,頭部處于最高點(diǎn),此處會(huì)有能量損失．因?yàn)榇藭r(shí)重心處于后腳前方,小兔會(huì)向前擺動(dòng),使前腳作為支撐,重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,可以活動(dòng)的后腳由于重力作用自動(dòng)向前腳并攏,在與前腳碰撞的過程中伴隨著能量的損耗．同樣,由于慣性,小兔會(huì)以前腳為支撐繼續(xù)向前擺動(dòng),動(dòng)能向重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化,直到頭部再次處于最低點(diǎn),動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能,回到周期初始的狀態(tài),不斷循環(huán)往復(fù)．

3 定量解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果

趣味物理實(shí)驗(yàn)案例2:哪個(gè)球滾得更快.

如圖2所示，有兩個(gè)軌道的坡度和長(zhǎng)度相同,但寬窄不同．將兩個(gè)籃球分別在兩個(gè)軌道上以同一高度同時(shí)釋放,到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間是不同的．

圖2 哪個(gè)球滾得更快

圖3 籃球的剖面圖

從上式結(jié)果可以看出,當(dāng)L越大,vC越?。赐瑫r(shí)下落相同的高度,兩桿之間的距離越大,籃球的質(zhì)心速度越小,平均速度也越小,則所需要的時(shí)間越長(zhǎng);兩桿之間的距離越小,籃球的質(zhì)心速度越大,平均速度也越大,則所需要的時(shí)間越短．

為了驗(yàn)證理論是否正確,可以鼓勵(lì)學(xué)生去測(cè)量軌道長(zhǎng)度、高度、寬度和籃球的質(zhì)量、半徑、下落時(shí)間,與理論進(jìn)行對(duì)比．

趣味物理實(shí)驗(yàn)案例3:奇妙的線軸.

如圖4所示，有一兩側(cè)為圓盤的線軸,將線的一端系在線軸上,另一端圍繞線軸纏繞數(shù)圈后,把線軸放在水平面上,拉住線的一端,沿不同的方向拉線可以使線軸向前運(yùn)動(dòng)、向后運(yùn)動(dòng)或者不動(dòng)．

圖4 奇妙的線軸

圖5 力拉線軸

在這個(gè)問題上,可以先讓學(xué)生進(jìn)行探究．沿同一個(gè)方向(比如水平方向)用大小不同的力拉線軸,再改變角度,沿不同方向拉線軸,觀察線軸運(yùn)動(dòng),嘗試發(fā)現(xiàn)規(guī)律．

如圖5所示，假設(shè)線軸質(zhì)量為m,內(nèi)徑為r,圓盤半徑為R,繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為IC,拉力為F,與水平方向的夾角為θ,線軸中心軸的加速度為aC(向右為正方向),線軸滾動(dòng)的角加速度為β(逆時(shí)針為正方向)．

根據(jù)牛頓第二定律,在水平方向上有

Fcosθ-f=maC.

根據(jù)剛體對(duì)質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)定理有

Fr-fR=ICβ.

將線軸滾動(dòng)時(shí)看做無(wú)滑滾動(dòng),則

aC=-βR.

聯(lián)立以上3式可得

4 拓展探究普遍規(guī)律

趣味物理實(shí)驗(yàn)案例4:角鏡成像.

圖6 角鏡成像

如圖6所示，有兩個(gè)豎直的平面鏡可以繞兩平面鏡相接的豎直軸旋轉(zhuǎn),在兩平面鏡的角平分線上放置一物體,當(dāng)兩平面鏡夾角不同時(shí),能觀察到的像個(gè)數(shù)也不同．

5 黑箱實(shí)驗(yàn)激發(fā)創(chuàng)造力

黑箱實(shí)驗(yàn)不僅容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且能夠鍛煉學(xué)生的推理能力,更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力．

圖7 奇妙的水箱

趣味物理實(shí)驗(yàn)案例5:奇妙的水箱.

如圖7所示，有一黑箱,將一大杯水從黑箱頂部的漏斗口倒入,黑箱側(cè)面的出水口流出了一小杯水．教師啟發(fā)學(xué)生尋找原因,設(shè)計(jì)黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．學(xué)生可能回答: “箱內(nèi)原來(lái)的水面還未達(dá)到出水口”； “箱內(nèi)有粗細(xì)不均的U形管”； “箱內(nèi)有吸水的物質(zhì),吸收了一部分水后飽和”； “有棉球、活性碳等吸水物質(zhì)”； “發(fā)生化學(xué)反應(yīng),水參與反應(yīng),并生成了透明液體”……

教師將所有推理列在黑板上,強(qiáng)調(diào)對(duì)同一問題可能存在多種合理解釋,不局限于一種思維,學(xué)科知識(shí)互相滲透．而觀察與推理之間存在差別,需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)．學(xué)生檢查出水口的燒杯里是否是水,如果的確是水,再設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

將出水口燒杯里的小杯水再?gòu)穆┒房诘谷牒谙?在出水口重放一個(gè)燒杯,流出一大杯水．教師追問學(xué)生:“你能設(shè)計(jì)出多少種不同的裝置滿足這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?”通過新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,揭示錯(cuò)誤方案的矛盾,不斷改善,無(wú)形中也使學(xué)生體會(huì)了科學(xué)學(xué)習(xí)的方法,調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)腦動(dòng)手．

圖8 黑箱設(shè)計(jì)之一

現(xiàn)象是由于小部分水的倒入才觸發(fā)的,這一小部分水倒入時(shí)具有重力勢(shì)能和動(dòng)能．箱內(nèi)的裝置應(yīng)該是可以活動(dòng)的,并由水的能量觸發(fā)轉(zhuǎn)化,類似古代水風(fēng)車旋轉(zhuǎn)一樣的裝置．圖8為黑箱設(shè)計(jì)之一.從生活走向物理,教師要善于引導(dǎo),培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)思考、分析,推理要有理有據(jù),激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力．這里列舉兩種設(shè)計(jì):一種利用重心的變化使翻斗翻轉(zhuǎn);一種利用虹吸現(xiàn)象,當(dāng)容器中的水量超過虹吸管頂端時(shí),容器中的水就會(huì)全部流出．學(xué)生在思考的過程中,不僅將已學(xué)的科學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái),進(jìn)行重組,并且充分發(fā)揮想象力．教師要注意把握節(jié)奏,適時(shí)有效提問,循循善誘,充分利用趣味實(shí)驗(yàn)激活學(xué)生的創(chuàng)造性思維．

6 結(jié)束語(yǔ)

趣味物理實(shí)驗(yàn)資源十分豐富,但趣味物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面還沒有得到足夠重視．利用趣味物理實(shí)驗(yàn)開展科學(xué)探究活動(dòng),開發(fā)適合學(xué)生自主選擇修習(xí)的物理選修Ⅱ課程,不僅可以引起學(xué)生興趣,而且可以全方面調(diào)動(dòng)提升學(xué)生的知識(shí)和技能,體會(huì)科學(xué)過程方法,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、拓展求新的科學(xué)精神．如何更好開展趣味物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是一個(gè)值得關(guān)注的問題．

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2017-04-12)