基于理論探究的物理實驗復習的嘗試

肖唯榮

(江蘇省太湖高級中學 江蘇 無錫 214125)

基于理論探究的物理實驗復習的嘗試

肖唯榮

(江蘇省太湖高級中學 江蘇 無錫 214125)

物理高考對能力的要求比較高，傳統的“講-練”結合的二輪復習模式在培養學生能力和幫助學生構建知識體系時的效率較低，究其原因是學生在習題訓練時缺乏必要的探究，不能融會貫通地運用知識．本文以“小車-木板”模型為背景設計了一堂高三實驗復習的理論探究課，來探索高三實驗復習的有效教學模式．

高三實驗復習 探究教學 理論探究 “小車-木板”模型

“小車-木板”模型是高中物理力學實驗中的重要模型，人教版教材中以它為基礎的學生實驗有4個：練習使用打點計時器；探究速度隨時間變化的規律；探究加速度與物體質量；物體受力的關系；探究功與速度變化的關系．在高考和高考模擬試題中以它為背景的創新實驗題層出不窮，如2012，2010，2009年江蘇高考卷第11題等．

在以往的高三實驗復習中，對于這一模型的處理方法往往是分別梳理每個實驗的目的、原理、器材 選擇、操作步驟及注意點、數據處理等，在此基礎上做一定量的習題并強調一些常見的結論．由于針對這一模型的試題的考查點在不斷變化，有時的考查內容甚至與教師平時強調的結論完全相反，令學生遇到這類試題時無所適從，教師也成了救火隊員，出現新的問題就補充講解，但往往無法讓學生徹底地掌握分析這類試題的方法．究其原因還是在常規復習課中教師過分強調結論性的東西，忽略了學生的思考和自我構建，導致學生分析問題的能力不強，遇到考查死記硬背的知識還能應付，而遇到創新試題則束手無策．要解決這一問題，必須要改變高三實驗復習的方式，引入探究教學模式．當然囿于高三復習的實際情況，不可能對這類創新實驗題去進行實驗操作探究，但可以在學生完成一定量習題的基礎上，從邏輯推理的角度引導學生進行理論探究，幫助學生自我構建這一模型的知識體系，提高分析問題的能力．

本文以這一模型為背景在高三實驗復習中進行了理論探究教學的嘗試．

1 設置問題背景

到高三第二輪復習階段，學生對“小車-木板”模型已經有一定的認識，因此可以嘗試從實際試題中跳出來，直接給出這一模型的基本裝置，如圖1所示.

圖1 “小車-木板”模型基本裝置

教師可以在講臺上安裝這樣一套器材，演示一下小車的基本運動，引起學生的回憶和思考，在此基礎上提出問題：這一套裝置中涉及了哪些物理過程和規律？

2 基本規律探究

在學生充分討論的基礎上，教師引導學生從高中物理基本內容出發，對裝置從受力情況、運動情況、能量關系3個角度進行分析和總結(設小車質量為M，鉤碼質量為m)．

2.1 受力分析

受力分析圖如圖2所示.

圖2 受力分析圖

由牛頓第二定律對小車有

T-f=MaA

對鉤碼有

mg-T=maB

2.2 運動分析

釋放鉤碼后小車和鉤碼一起做勻加速直線運動，且各時刻兩物體速度大小相等，令vA=vB=v；加速度大小相等，令aA=aB=a；經過相等時間兩物體的位移大小相等，令xA=xB=x．

由1，2兩步分析進一步得到加速度大小

細線中拉力大小

2.3 能量關系

根據動能定理，對小車有

對鉤碼有

由上面兩個式子進一步得到系統的能量關系

即鉤碼減少的重力勢能轉化為系統兩個物體增加的總動能和系統克服摩擦力做功產生的內能．

3 實驗條件控制的探究

在基本規律探究到位的基礎上，進一步設問：對于不同的實驗目的和數據測量要求，實驗條件如何控制？教師可引導學生從典型實驗出發，拓展到創新實驗．

3.1 典型實驗探究

在探究物體加速度和物體質量、物體受力的關系實驗時，涉及到測量物體受到的合力的大小，如果要用鉤碼的重力來近似代替小車受到的合力，應該如何做？

由上面的分析進行合理推導，要使

首先排除摩擦力的影響——平衡摩擦力．具體做法是將木板遠離定滑輪的一端墊高形成斜面，調節合適角度后滿足

f=Mgsinθ

又因為

f=μMgcosθ

故

tanθ=μ

3.2 拓展實驗探究

從這兩個基本結論出發，結合不同的實驗目的和原理進一步對比探究，加深對條件控制的理解．

(1)如果用該裝置來探究小車速度隨時間變化的規律，需不需要滿足這兩個條件？

分析：該實驗只要保證小車做勻加速直線運動，通過紙帶來分析小車運動的速度和加速度即可，并不需要獲得合力，故不需要滿足上述條件．

(2)如果用該裝置來探究功與速度變化的關系，需不需要滿足這兩個條件?

分析：該實驗的原理是求出某個過程中合力對小車做的功，同時獲得小車的初、末速度，探究合力的功和速度變化的關系．由于小車所受的合力仍要用鉤碼的重力代替，故需平衡摩擦力和滿足m?M．

(3)如果要用該套裝置來驗證系統機械能守恒，需如何控制實驗條件？

分析：平衡摩擦力后摩擦力消失了嗎？

答：沒有．與重力的分力相互抵消了．

分析：平衡摩擦力后，摩擦力做不做功？

答：做功．

結論：平衡摩擦力的操作不能消除摩擦力對系統做功．所以嚴格意義上講，在存在摩擦力的情況下，該系統的機械能不守恒．但從實際出發，如果摩擦力做的功較少，引起系統機械能損失不大的情況下，可認為系統機械能守恒．所以需要滿足什么條件？

學生進一步探究得出，需滿足mgx?fx ，而f=μMg ，故在實驗器材一定的情況下，要使系統機械能守恒，需滿足m?M ．這一結果與上面的結論相反．

4 實驗裝置變化的探究

(1)用兩個光電門來代替打點計時器——求瞬時速度的方法不同，其他規律不變．

(2)用氣墊導軌來代替長木板——摩擦力可忽略，上述規律中涉及摩擦力的操作可不進行．

(3)繩子通過拉力傳感器連接在小車上——可通過傳感器直接得出拉力的大小，不需要用鉤碼的重力來代替，故不需要m?M．

在高三第二輪復習中采用這種理論探究的教學模式，可以消除一些傳統“講-練”模式的弊端，讓學生暫時從題海中跳出來，對這一模型的知識體系有一個主動建構的過程，掌握這類問題的分析切入點和基本原理，提高分析問題能力，也能養成一些科學探究的素養．同時教學過程體現了一定的層次性，對于探究的深度，基礎一般的學生重點把握規律分析和基本結論即可，基本規律和結論掌握較好的學生則重點進行拓展實驗的探究．

高三學生在面對習題時有很強的目的性，即用盡量少的時間得出答案．在這種情況下，習題的探究功能和能力培養功能被大大弱化，教師用典型例題來引導學生構建知識體系或掌握某類問題的解題方法的期望會落空．在高三總復習階段，一味地采用“講—練”模式復習往往是低效的，會出現有些問題反復講反復錯的現象，原因是知識的建構不是建立在學生自主的基礎上，教師反復強調的結論不能內化為學生的知識；也會出現學生原先會做的題過段時間又不會做的現象，原因是學生對習題背后隱藏的知識和方法沒有進行深入的探究，學習過程是膚淺的．因此，在高三物理復習課的教學中，我們應當從“習題串”的復習模式中跳出來，從大量習題中發掘適合探究的素材或流程，創設一定的情境，引導學生自主建構知識體系和總結思想方法，真正提升學生分析和解決問題的能力．

2017-02-21)