關注趣味物理實驗的教學

王義梁

(江蘇省錫山高級中學,江蘇 無錫 214174)

關注趣味物理實驗的教學

王義梁

(江蘇省錫山高級中學,江蘇 無錫 214174)

趣味物理實驗資源的開發和課堂應用被日益重視,但趣味物理實驗的教學還沒有得到足夠關注．本文從趣味實驗教學的定性、定量、拓展探究等方面分別展示了幾個案例．

趣味實驗教學； 定性； 定量； 探究； 案例

1 引言

在物理教學中,教師經常用趣味物理實驗創設情境,制造奇妙的現象,激發學生的物理學習興趣,達到更好的課堂效果．如今,有很多教師使用趣味實驗建構習題中特定的模型,幫助學生理解抽象的物理概念．筆者所在學校開設了物理的拓展課程——趣味物理實驗,建立開放性實驗室,利用趣味實驗培養學生的動手能力,激活學生思維,提高創新能力,同時讓學生體驗科學探究的本質．

在趣味物理實驗的教學中,不能只專注于向學生展示神奇的現象,激發學生學習興趣,從而導致對于解釋現象背后的本質及物理規律過于籠統．實驗和理論關系密切,不可分割．筆者通過實驗發現總結規律,建立理論,通過理論預測實驗現象,通過實驗檢驗并修正理論．教師和學生都應該積極關注趣味物理實驗中的物理知識,這也有利于開展關于趣味物理實驗的科學探究活動,體會科學方法和過程．筆者結合自己的教學,分享幾個趣味物理實驗的教學案例．

2 定性分析趣味實驗現象

趣味物理實驗案例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不斷地分開、合攏,前后搖擺走下斜坡．對于這個現象,我們通常用重心和能量轉移來解釋,沒有具體分析下坡的物理過程．

圖1 小兔下坡

引導學生仔細觀察玩具,就會發現小兔的兩只腳中,只有后面一只是活動的．小兔下坡的動作是不斷重復,具有周期性的．為了對其進行定性分析,將小兔頭部處于最低點到處于最高點,再到最低點的過程看做一個周期．

小兔頭部處于最低點時,兩腳并攏,前腳為支撐,重心在前腳后方,使小兔向后擺動,兩腳分開,重力勢能轉化為動能,使后腳作為支撐．由于慣性,小兔以后腳為支撐繼續向后擺動,動能向重力勢能轉變,直到尾部與斜坡碰撞,頭部處于最高點,此處會有能量損失．因為此時重心處于后腳前方,小兔會向前擺動,使前腳作為支撐,重力勢能轉化為動能,可以活動的后腳由于重力作用自動向前腳并攏,在與前腳碰撞的過程中伴隨著能量的損耗．同樣,由于慣性,小兔會以前腳為支撐繼續向前擺動,動能向重力勢能轉化,直到頭部再次處于最低點,動能全部轉化為重力勢能,回到周期初始的狀態,不斷循環往復．

3 定量解釋實驗結果

趣味物理實驗案例2:哪個球滾得更快.

如圖2所示，有兩個軌道的坡度和長度相同,但寬窄不同．將兩個籃球分別在兩個軌道上以同一高度同時釋放,到達終點的時間是不同的．

圖2 哪個球滾得更快

圖3 籃球的剖面圖

從上式結果可以看出,當L越大,vC越小．即同時下落相同的高度,兩桿之間的距離越大,籃球的質心速度越小,平均速度也越小,則所需要的時間越長;兩桿之間的距離越小,籃球的質心速度越大,平均速度也越大,則所需要的時間越短．

為了驗證理論是否正確,可以鼓勵學生去測量軌道長度、高度、寬度和籃球的質量、半徑、下落時間,與理論進行對比．

趣味物理實驗案例3:奇妙的線軸.

如圖4所示，有一兩側為圓盤的線軸,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動、向后運動或者不動．

圖4 奇妙的線軸

圖5 力拉線軸

在這個問題上,可以先讓學生進行探究．沿同一個方向(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,觀察線軸運動,嘗試發現規律．

如圖5所示，假設線軸質量為m,內徑為r,圓盤半徑為R,繞中心軸的轉動慣量為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),線軸滾動的角加速度為β(逆時針為正方向)．

根據牛頓第二定律,在水平方向上有

Fcosθ-f=maC.

根據剛體對質心軸的轉動定理有

Fr-fR=ICβ.

將線軸滾動時看做無滑滾動,則

aC=-βR.

聯立以上3式可得

4 拓展探究普遍規律

趣味物理實驗案例4:角鏡成像.

圖6 角鏡成像

如圖6所示，有兩個豎直的平面鏡可以繞兩平面鏡相接的豎直軸旋轉,在兩平面鏡的角平分線上放置一物體,當兩平面鏡夾角不同時,能觀察到的像個數也不同．

5 黑箱實驗激發創造力

黑箱實驗不僅容易引起學生的學習興趣,而且能夠鍛煉學生的推理能力,更能激發學生的創造力．

圖7 奇妙的水箱

趣味物理實驗案例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,黑箱側面的出水口流出了一小杯水．教師啟發學生尋找原因,設計黑箱的內部結構．學生可能回答: “箱內原來的水面還未達到出水口”； “箱內有粗細不均的U形管”； “箱內有吸水的物質,吸收了一部分水后飽和”； “有棉球、活性碳等吸水物質”； “發生化學反應,水參與反應,并生成了透明液體”……

教師將所有推理列在黑板上,強調對同一問題可能存在多種合理解釋,不局限于一種思維,學科知識互相滲透．而觀察與推理之間存在差別,需要實驗檢驗．學生檢查出水口的燒杯里是否是水,如果的確是水,再設計方法進行實驗．

將出水口燒杯里的小杯水再從漏斗口倒入黑箱,在出水口重放一個燒杯,流出一大杯水．教師追問學生:“你能設計出多少種不同的裝置滿足這兩個實驗現象?”通過新的實驗現象,揭示錯誤方案的矛盾,不斷改善,無形中也使學生體會了科學學習的方法,調動學生動腦動手．

圖8 黑箱設計之一

現象是由于小部分水的倒入才觸發的,這一小部分水倒入時具有重力勢能和動能．箱內的裝置應該是可以活動的,并由水的能量觸發轉化,類似古代水風車旋轉一樣的裝置．圖8為黑箱設計之一.從生活走向物理,教師要善于引導,培養學生學會思考、分析,推理要有理有據,激發學生的創造力．這里列舉兩種設計:一種利用重心的變化使翻斗翻轉;一種利用虹吸現象,當容器中的水量超過虹吸管頂端時,容器中的水就會全部流出．學生在思考的過程中,不僅將已學的科學知識聯系起來,進行重組,并且充分發揮想象力．教師要注意把握節奏,適時有效提問,循循善誘,充分利用趣味實驗激活學生的創造性思維．

6 結束語

趣味物理實驗資源十分豐富,但趣味物理實驗教學方面還沒有得到足夠重視．利用趣味物理實驗開展科學探究活動,開發適合學生自主選擇修習的物理選修Ⅱ課程,不僅可以引起學生興趣,而且可以全方面調動提升學生的知識和技能,體會科學過程方法,培養嚴謹的科學態度、拓展求新的科學精神．如何更好開展趣味物理實驗的教學是一個值得關注的問題．

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2017-04-12)