一個典型慣性演示實驗的探討研究——為此實驗“平反”

張 棟 蔣麗輝 張麗萍

(河北師范大學物理科學與信息工程學院,河北石家莊 050016)

物理學是一門以實驗為基礎的科學.無論在物理科學研究還是物理教學當中,實驗都是至關重要的一環.現今在新課程改革的大背景下,重視實驗已成為許多一線教師的共識,因此對實驗的討論也就不絕于耳.這些討論加深了教師對物理實驗中存在的種種疑問的理解,有效地指導著教師的教學實踐.本文將對一個典型的慣性演示實驗中存在的疑問進行初步探討,希望能對中學物理教師有所裨益.

1 一個典型慣性演示實驗的基本描述及探討的必要性

如圖1所示:在桌面上豎直放置一個小筒,在小筒上放一塊硬紙板,再將一個小球放在硬紙板上并對準小筒口(小筒口的直徑略大于小球的直徑),使小球相對硬紙板靜止.用一個彈片猛力快速擊打硬紙板后,硬紙板被彈出,而小球由于慣性掉進下面的筒里.以此現象來演示小球具有慣性.

可以說,每一個中學物理教師在講慣性時,都會想到這個演示實驗,這也是稱之“典型”的原因.而恰恰對這么典型的實驗有人提出了疑問,并且有的教師面對此質疑不知道何去何從,在這樣的狀況下對此實驗的探討就十分必要了.

圖1

2 對上述演示實驗提出的質疑

《中學物理疑難實驗專題研究》中對本演示實驗是這樣分析的:為簡化起見,不考慮小球的滾動,對小球 A和硬紙板B進行受力分析.設小球和硬紙板之間的動摩擦因數為μ,則有 B對A的摩擦力 fAB=μ mAg.由牛頓第二定律 fAB=mAaA.易得小球的加速度 aA=μ g.

小球能否落入筒中必須滿足的一個條件是硬紙板的加速度至少要大于小球的加速度.滿足這個條件就要求:(1)小球的加速度小些,但 fAB要大于B對A施加的最大靜摩擦力,即B與A發生相對位移;(2)硬紙板的加速度大些,可以減小硬紙板的質量,也可以加大打擊力.然而即使小球與硬紙板發生了相對滑動,aA也不能太大,否則位移過大,小球仍有可能掉出筒外.至此可見決定小球是否落入筒中的因素是 aA,而 aA是由μ決定的,也就是說最后起關鍵作用的是與小球慣性無關的量μ!

《中學物理疑難實驗專題研究》提出質疑:“若 A、B之間足夠光滑的話,鋼球才有可能掉進筒中,否則不然,而不管鋼球的質量如何.這就值得思考了,因為我們知道質量是物體慣性大小的量度,一個演示慣性的實驗,能否得到所期望的現象,竟與物體的慣性大小無關,而是由與慣性無關的摩擦來決定,這難道說得過去嗎?這使我們不得不考慮它作為慣性演示實驗的合適性問題.”[1]

3 對此實驗深入探討——為實驗“平反”

這個疑問一經提出,有的物理教師看了會在腦子里畫個大大的問號,有的干脆不假思索的欣然接受了,否定了這個演示實驗,以后也不使用了.后一種做法是我們不提倡的,應該繼續探討研究.筆者在對此疑問思考后,從以下4方面來說明此演示實驗的合適性.

3.1 分析實驗目的——回答為什么可以與小球的質量大小無關

演示小球有無慣性,應與小球有無質量有關;演示小球慣性的大小,應與小球的質量大小有關.那么此慣性演示實驗的目的是什么?目的是演示小球具有慣性(注意不是演示小球慣性的大小).所以,此演示實驗現象與小球的質量大小本來就不需要有必然的聯系,兩者無關不足為奇.《中學物理疑難實驗專題研究》提出的質疑以此演示實驗現象與小球的質量大小無關來否定此演示式樣的適用性是不合適的.

3.2 分析實驗前提——回答為什么由與慣性無關的因素決定

小球必須是有慣性的,這樣我們才可能將其演示出來,這是實驗的前提.此演示實驗現象一定是與小球的慣性有關,但能不能演示出慣性現象,則是操作技能和知識經驗的事了.小球的慣性大小一定時,能否得到預期的現象,就得看其他與慣性無關的因素對演示實驗的影響是否超過了慣性,若超過則演示失敗,若沒超過則成功.而物理實驗本質就是根據實驗目的將要研究的對象作為主要因素,要求控制無關因素的.“控制”就是我們面對復雜情況時所采取的措施.教師課堂上做此演示實驗時,對除慣性以外的因素,包括硬紙板的動摩擦因數已經做了嚴格控制,只有這樣才能保證演示出小球的慣性現象.所以這個演示實驗能否得到預期的現象,原本就是由對與慣性無關的諸多因素的控制來決定,即由與慣性無關的因素決定,這是說得過去的.

3.3 對此實驗深入分析——回答什么是關鍵因素

成功的演示是由多方面因素決定的.首要的條件是掌握實驗原理,它是設計和改進實驗的根據.只有掌握了原理,才能準確地抓住關鍵,成功地進行演示.[2]

在對此實驗深入分析時,簡便起見,不考慮小球的滾動,并認為從彈片彈到硬紙板開始到小球與硬紙板分開之間的時間間隔t內,彈片一直以恒力F作用于硬紙板.對時間t內的物理過程進行研究,設μ為小球與硬紙片的動摩擦因數,mB為硬紙板的質量,l為小球與硬紙板相對位移,sA為小球的位移,sB為硬紙板的位移.

以小球為研究對象,有

以硬紙板為研究對象,由動量定理得Ft=mBvt-0.則

即

將 sA、sB代入sB=sA+l,得

所以

sA趨于零時,小球才能落入小桶.所以由上式可知影響此演示實驗成敗的因素有 F、μ、l、mB,其中任何一個控制不好都會導致小球落到筒外.而《中學物理疑難實驗專題研究》中只提出了一個因素μ,并認為本慣性演示實驗能否得到所期望的現象是由與慣性無關的摩擦來決定.以此來質疑此演示實驗的合適性是倉促的,考慮是不全面的.

3.4 結合演示實驗的定義分析此實驗的優點

所謂演示實驗,就是以教師為主要的操作者的表演示范實驗,它的目的主要是要把研究的物理現象展示在學生的眼前,引導學生觀察思考,配合講授或穿插學生討論等方式使學生認識物理概念和規律,或者通過演示的引導和示范作用,為學生獨立訓練創造條件.[3]

依據定義,從以下3方面分析此演示實驗的優點以說明其合適性.

(1)演示實驗目的是把物理現象展示給學生,這就要求演示實驗要簡易方便,現象要明顯.此演示實驗在儀器結構、操作和由演示現象導出結論的解說或推理都很簡單.小球掉進筒里,就說明小球具有慣性,現象明顯.為了使演示的現象清楚,此實驗的儀器尺寸還可以做得足夠大,這樣全班的學生都能看到.

(2)演示實驗要有助于引入課題,激發學生的求知欲望.因此演示實驗更突出“表演示范”,更注重實驗的表現形式.在精確程度上,演示實驗的要求不是很高.在不影響科學性的前提下,判斷演示實驗的優劣,關鍵在于其表現形式的新穎程度.在實際的教學中,還可以采用其他更吸引學生的表現形式,如:用雞蛋代替小球,并用透明的玻璃筒,教師介紹這種裝置在不用手直接接觸雞蛋的情況下,能使雞蛋磕碎在小筒里.

(3)演示實驗要有利于學生認識物理概念和規律.不僅要讓學生看到一些靜態的現象,還要讓他們觀察到現象的變化和發展過程.演示時最好盡可能給學生以多種感官刺激.如:教師可以一手拿小筒,一手準備彈擊硬紙板,請一位學生判斷雞蛋的落點,并要求他去接下落的雞蛋.此演示實驗在視覺、聽覺、觸覺等方面刺激學生,有利于他們頭腦中建立慣性現象的圖式,加強對慣性的理解.相信學生在觀看了這個演示實驗后,不僅學到了慣性的知識,而且對物理產生濃厚的興趣.這對以后物理概念和規律的教學有持續的推動作用.

4 結論

綜上所述,這個實驗作為一個典型的慣性演示實驗是合適的,還應繼續為教學服務.本文呈現了一個由無疑到質疑,由質疑到解疑的過程啟示物理教師們:(1)質疑的精神是值得肯定的,但是研究的過程中一定要注意不要被問題的表面現象所迷惑,要看到問題的本質;(2)研究問題時,一定要認清問題的前提,尤其是對基本概念的理解,往往是正確理解問題的關鍵;(3)在為此演示實驗“平反”的同時,更應深入思考是否可以對此演示實驗加以改進,使它可以演示出慣性的大小;(4)作為物理教師要善于發現問題,善于深入思考研究問題,尤其是在教育研究正在向縱深發展的今天,物理教師更應該積極行動起來思考和探討教學實踐中的問題,提高自身素質配合新課程改革的順利進行.

1 羅星凱.中學物理疑難實驗專題研究.桂林:廣西師范大學出版社,1998.

2 許國梁.中學物理教學法.北京:高等教育出版社,1981.

3 閻金鐸,田世昆.中學物理教學概論.北京:高等教育出版社,2003.