生活中“反常”的重心與平衡趣味實驗

楊向榮 陸亞雯

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210097)

生活中“反常”的重心與平衡趣味實驗

楊向榮 陸亞雯

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇 南京 210097)

物理實驗是物理教學(xué)的一個必不可少的手段，通過例舉3個生活中“反常”的重心與平衡趣味實驗，展示這些實驗的特點和優(yōu)越性，并給出這些實驗在教學(xué)時的建議，給廣大物理教師提供參考．

物理實驗 反常 重心 平衡

物理實驗是物理學(xué)的重要部分，也是物理教學(xué)必不可少的環(huán)節(jié)，實驗是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的重要手段．劉炳昇教授認為，實驗具有生動形象的特點，能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲，對學(xué)生科學(xué)興趣的培養(yǎng)具有不可替代的作用，同時物理實驗也是一項操作活動，在培養(yǎng)學(xué)生實踐意識和實踐能力方面的作用也是無可比擬的．劉教授提倡用手邊的物品動手制作實驗器具，開發(fā)低成本趣味物理實驗，并且身體力行做了很多工作．他的物理實驗思想與實踐影響了很多一線物理教師．

筆者關(guān)注到重心與平衡這兩塊密切相關(guān)的內(nèi)容的實驗教學(xué)情況，對這部分內(nèi)容的物理實驗進行了開發(fā)，有關(guān)重心與平衡的物理實驗，不僅取材簡單、趣味性強，而且具有“反常”的特點，“反常”實驗是

(2)控制讓不同色光通過凸透鏡來探究凸透鏡的焦距，如圖5所示．

圖5 不同色光通過透鏡

得到結(jié)論：對同種色光穿過透鏡，凸透鏡表面越彎曲透鏡的焦距就越短，表面越平的凸透鏡焦距越長；對于同一透鏡通過的色光的波長越長焦距越長，波長越短焦距越短．

5 結(jié)束語

用真實實驗進行教學(xué)的缺陷，在物理課堂教學(xué)中加以應(yīng)用，可以使物理教學(xué)質(zhì)量得到提高，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)成績．但虛擬實驗在物理實驗教學(xué)中也有不足，主要體現(xiàn)在虛擬實驗對一些演示類的實驗的模擬能夠有效實現(xiàn)依賴于現(xiàn)有的物理原理和規(guī)律開發(fā)設(shè)計的，因此不能用來解釋物理現(xiàn)象，它能把生活中的物理現(xiàn)象模型化且理想化地呈現(xiàn)出來.而克服它不足的有效方法是：虛擬實驗與真實實驗的有效整合，做到揚長避短.這就要求教師更新觀念，采用更為合理的教學(xué)方法，來培養(yǎng)合格的人才．

1 王清．利用Algodoo軟件判求理想化的物運動規(guī)律．物理教師，2015(1)：66～68

2 黃偉．Algodoo軟件在教學(xué)中的應(yīng)用．中學(xué)物理教學(xué)參考，2012(6)：50～51

3 陳樂．利用Algodoo平臺搭建高中通用技術(shù)課堂的探索與實踐．現(xiàn)代教育技術(shù)，2010(11)：79～82

4 李飛．淺談計算機虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗在高校實驗教學(xué)的實現(xiàn)．新疆廣播電視大學(xué)學(xué)報，2012(1)：60～62

5 鄧永強．以中學(xué)物理教學(xué)為例論探究性教學(xué)模式的應(yīng)用．中學(xué)物理，2015(7)：80～81

指根據(jù)當(dāng)時學(xué)生已有的知識和生活經(jīng)驗出現(xiàn)了異常的實驗現(xiàn)象的實驗，“反常”的重心與平衡實驗對學(xué)生具有視覺上的沖擊力和欺騙性，能夠激發(fā)起學(xué)生的認知沖突，引起學(xué)生強烈的興趣和動手欲望．這類實驗是劉炳昇物理實驗思想的貫徹和體現(xiàn)．

1 教材中提供的有關(guān)重心與平衡的教學(xué)資源

重心與物體的平衡密切相關(guān)，重心在初高中物理教學(xué)中都有涉及，初中要求掌握均勻物體的重心，高中則對不均勻物體的重心也提出了要求．二力平衡的學(xué)習(xí)是在初中進行，但是平衡的知識滲透在高中力學(xué)與運動學(xué)的學(xué)習(xí)中．

筆者分析了人教版和蘇科版初中物理教材，以及人教版高中物理教材中提供的有關(guān)重心與平衡的教學(xué)資源，情況如表1所示.

表1 教材中提供的有關(guān)重心與平衡的教學(xué)資源

從表1中可以看出，教材主要提供的是圖片，實驗不多，并且人教版初中物理和蘇科版初中物理教材中探究二力平衡條件的實驗是相同的，都是將一輛小車放在光滑水平桌面上，車兩端通過繩子分別掛有一托盤，通過改變托盤中砝碼的質(zhì)量來改變小車兩端受到的拉力的大小，改變小車放的位置來改變小車兩端受到拉力的方向，這個實驗對學(xué)生來說簡單易懂，但趣味性不強．兩版教材提供的實驗完全一樣，這從側(cè)面反映了本節(jié)內(nèi)容的實驗開發(fā)不足．可以說，有關(guān)重心與平衡的實驗還有待開發(fā)和利用．

2 生活中“反常”的重心與平衡實驗的示例

2.1 小火柴大力量

實驗器材：3根火柴、棉繩、500 mL礦泉水瓶、水．

實驗過程：將3根火柴放置在水平桌面邊緣形成如圖1所示的結(jié)構(gòu)后，能懸掛起質(zhì)量較大的重物(如圖2所示)．操作步驟如下：

(1)將第1根火柴放置在水平桌面邊緣，與桌面邊緣垂直，頭部伸出桌面一定距離，尾部用1瓶水壓住；

(2)用第2根火柴將下部懸掛有1瓶水的棉線撐開，火柴與桌面邊緣平行，棉線上部懸掛在第1根火柴上，棉線緊貼桌面邊緣；

(3)將第3根火柴的尾部抵在第2根火柴的中間位置，頭部支撐著第1根火柴的頭部；

(4)撤去壓在火柴上的礦泉水瓶，整個系統(tǒng)保持平衡．其“反常”在于學(xué)生認為火柴很脆弱，而這么脆弱的火柴居然可以不可思議地支撐起這么多水的重量．

圖1 3根火柴的結(jié)構(gòu)

圖2 小火柴大力量

實驗原理：本實驗運用了力系平衡的原理．撐開的繩子對第2根火柴有著擠壓力，等大反向，由此繩子與火柴之間存在摩擦力，摩擦力大小足夠支撐著第3根火柴，而第3根火柴又支撐著第一根火柴，3根火柴相互支撐，達到了力系的平衡．

實驗注意事項：要想實驗盡可能達到最佳效果，也就是懸掛的水的量越多，需注意以下幾點：

(1)筆者在進行實驗時，發(fā)現(xiàn)懸掛的量較多時，火柴因承受不住力的作用而出現(xiàn)彎曲，乃至最后斷裂的現(xiàn)象，因此，選用的火柴的質(zhì)地應(yīng)較好，不能選用出現(xiàn)發(fā)霉等情況的劣質(zhì)火柴，這樣才能保證實驗效果．

(2)應(yīng)選用摩擦系數(shù)大的繩子，使得繩子與第2根火柴之間有足夠的摩擦力，以支撐起第3根火柴對其的壓力．

(3)第1根火柴伸出桌面的長度對火柴結(jié)構(gòu)的平衡也有影響，筆者選了質(zhì)地較好的長度為9.8 cm的火柴進行了探究，改變第1根火柴伸出桌面的長度，看3根火柴最終能懸掛起多少瓶水．表2為實驗數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：當(dāng)?shù)?根火柴伸出長度為火柴長度的一半時，火柴結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最好．

(4)實驗過程中要注意細節(jié)，嚴格按照實驗步驟要求，在懸掛瓶子時動作要輕，防止手對瓶子的力影響了火柴結(jié)構(gòu)的平衡．

表2 第1根火柴的伸出長度與承載水量的關(guān)系

教學(xué)設(shè)計建議：本實驗涉及到力系的平衡，理論難度大，實驗操作要求也高．適合放在高中學(xué)習(xí)重力與重心之后進行，教師可在課的結(jié)尾給學(xué)生進行簡單的演示實驗，激發(fā)起學(xué)生的興趣和動手欲望，然后對實驗原理進行一定解釋，對影響火柴結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素進行猜想和假設(shè)，要求學(xué)生課后進行探究．

2.2 側(cè)立的易拉罐

實驗器材：空易拉罐、水．

實驗過程：將空的易拉罐側(cè)立放置，再往易拉罐中倒入適量水，側(cè)立的易拉罐能在桌面上保持平衡而不會倒．其“反常”在于按照生活經(jīng)驗易拉罐不可能穩(wěn)定地側(cè)立的桌面上．

實驗原理：空的易拉罐質(zhì)量分布均勻，其重心在中心處．當(dāng)空的易拉罐側(cè)立時，它所受的重力與桌面對其的支持力不在一條直線上，易拉罐將因失去平衡而傾倒；但是易拉罐裝有水之后，其質(zhì)量分布不均勻，調(diào)整水的質(zhì)量，可以使易拉罐和水作為整體的重心位置發(fā)生變化，將重心調(diào)整至側(cè)立的易拉罐底部與桌面的接觸點豎直上方時，其所受重力與支持力在同一直線上，且等大方向，滿足力的平衡條件，所以此時側(cè)立的易拉罐可以保持靜止．

圖3 側(cè)立的易拉罐

教學(xué)設(shè)計建議：這個實驗可放在高中學(xué)習(xí)不均勻物體的重心的時候進行．這個實驗較為簡單，教師可事先在學(xué)生不知情的情況下，將空易拉罐裝好適量水，使易拉罐能夠側(cè)立在水平桌面上．上課時，教師將側(cè)立的易拉罐展示給學(xué)生，學(xué)生必然會感到吃驚，這與他們的生活經(jīng)驗相沖突，從而引起學(xué)生的思考．這時給學(xué)生發(fā)空的易拉罐，學(xué)生都有動手的欲望，學(xué)生會主動地嘗試去把易拉罐側(cè)立起來，但是很顯然不可能成功，這進一步引起學(xué)生的思考：為什么老師能夠把易拉罐輕易地側(cè)立在桌面上，而我不能？這時教師給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，學(xué)生可以想到老師展示的側(cè)立的易拉罐里可能裝有水，水量的多少可以改變易拉罐的重心．接下來教師可以以學(xué)生分組競賽的形式，讓學(xué)生自己動手去探究到底在易拉罐里裝多少水才能使易拉罐側(cè)立起來，最快的小組獲得教師的獎勵．在這樣的探究過程中，學(xué)生不僅加深了對重心與平衡的理解，也收獲了動手的快樂．

2.3 立在瓶口邊緣的胡蘿卜

實驗器材：1段胡蘿卜，1個杯子，兩把叉子.

實驗過程：

(1)取1段5 cm左右長度的胡蘿卜，將兩把叉子對稱地叉在胡蘿卜的兩側(cè)；

(2)將胡蘿卜的一端放在杯口邊緣上，胡蘿卜和叉子的組合體就可以穩(wěn)定地放置在杯口邊緣上(如圖4所示)．其“反常”在于胡蘿卜居然能夠克服重力作用穩(wěn)定在杯口邊緣，與學(xué)生的生活經(jīng)驗相沖突．

圖4 神奇的胡蘿卜

實驗原理：將胡蘿卜的一端立在杯口邊緣，胡蘿卜不可能穩(wěn)定，將會掉下來；但是將兩把叉子叉在胡蘿卜兩側(cè)，胡蘿卜很容易就穩(wěn)定地立在杯口邊緣，用力輕輕擾動叉子，它們也不容易掉下來．因為這時叉子和胡蘿卜的組合體的重心與杯口對胡蘿卜的支撐點在同一條豎直線上，也就是重力和支持力等大反向，所以胡蘿卜和叉子的組合體能夠立在瓶口邊緣上．由于胡蘿卜和叉子的組合體的重心在支撐點的下方，所以當(dāng)叉子輕微擺動時，組合體也不會從瓶口上掉下來．

實驗注意事項：兩把叉子應(yīng)對稱地插在胡蘿卜兩側(cè)．

教學(xué)設(shè)計建議：

這個實驗可放在高中學(xué)習(xí)不均勻物體的重心時進行．此時學(xué)生對力的平衡已經(jīng)有了認識，學(xué)生都知道物體要達到平衡，所受的兩個力要等大、反向且共線，這時教師給學(xué)生演示放在杯口邊緣的胡蘿卜的實驗，因為學(xué)生有這樣的前概念：胡蘿卜的重心應(yīng)該在杯子外面，此時因為重力的作用胡蘿卜應(yīng)該掉下來．這樣就使得學(xué)生所觀察到的實驗現(xiàn)象與初中所學(xué)的二力平衡的知識相沖突，學(xué)生就會納悶：為什么胡蘿卜能保持平衡？接著學(xué)生通過仔細觀察，教師再進行啟發(fā)，學(xué)生能夠意識到因為叉子的重量較大，整個組合體的重心并不是在杯子外面，整個組合體達到平衡狀態(tài)，那么重心位置還是應(yīng)該與杯口對胡蘿卜的支撐點在同一條豎直線上．教師可讓學(xué)生課后在家里做這個實驗，并把實驗現(xiàn)象用手機拍攝下來，要求拍攝的照片要體現(xiàn)出實驗效果的驚奇和美感．

這個實驗也可在學(xué)生探究完二力平衡的條件之后，演示給學(xué)生觀察，學(xué)生必然會驚訝胡蘿卜居然能夠這樣平衡在杯口邊緣．教師可提出問題：胡蘿卜是否處于平衡狀態(tài)？學(xué)生經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)必然會給出肯定答案．接下來教師可讓學(xué)生對其進行受力分析，作出力的示意圖，畫圖的關(guān)鍵是重力的作用點，學(xué)生經(jīng)過前面二力平衡條件的學(xué)習(xí)，能夠作出重力與支持力等大、反向、共線的正確示意圖．通過這樣一個實驗不僅鞏固了二力平衡的知識，也為學(xué)生學(xué)習(xí)不均勻物體的重心做了鋪墊．課后還可讓學(xué)生嘗試把硬幣和雞蛋立在杯口邊緣，如圖5和圖6所示．

圖5 不可思議的雞蛋 圖6 神奇的硬幣

3 結(jié)束語

生活中這類“反常”的重心與平衡實驗取材簡單、趣味性強，可以吸引學(xué)生的眼球，引發(fā)學(xué)生的認知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲，從而引起學(xué)生的思考．學(xué)生可以在課堂上做，也樂意在課后自己取材自己動手做，發(fā)揮自己的創(chuàng)造力．學(xué)生通過觀察現(xiàn)象、動手操作、解釋現(xiàn)象這一系列過程，不僅加深了對重心與平衡知識的理解，還鍛煉了動手操作能力和語言表達能力，學(xué)習(xí)物理的興趣和成就感大大提高，科學(xué)素質(zhì)得到培養(yǎng)．

參 考 文 獻

1 中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準(實驗)．北京：人民教育出版社，2003

2 劉炳昇．物理實驗教學(xué)與科學(xué)素質(zhì)教育.教學(xué)儀器與實驗，2000(1)：4～6

3 黃顯吞．物理“反常”實驗的創(chuàng)新思維教育.物理與工程，2015(5)：53～55

2016-12-26)