創新物理實驗讓物理學習回歸本源
——以“牛頓運動定律的綜合應用”為例

黃 佳

(江蘇省蘇州第一中學校,江蘇 蘇州 215000)

牛頓運動定律及其應用在高中物理學習中有著非常重要的地位,它既是高一物理的重要知識點,也是后續學習物理知識的重要基礎．而高一學生在運用牛頓運動定律解決問題時往往感到困難,對于實際問題中的牛頓運動定律的應用更是不知所措．本課例以創新物理實驗為抓手,激發學生內驅力,引導學生關注解決實際問題,培養學生的邏輯思維和知識應用的能力．

1 創設情境,建立物理模型

情境之于知識,猶如湯之于鹽．創設有效的教學情境是激發學生學習的內驅力,啟迪學生思維、開發學生智力的重要途徑,也是提高課堂教學有效性的重要手段．本課例首先提出需要解決的實際問題．

案例1.新房的墻體已建好,需要設計房頂的坡度,使下雨時落至房頂的雨滴能盡快地流下,請你幫助設計房頂的坡度?(設雨滴沿房頂下淌時做無初速度無摩擦的運動)．

對學生而言這是相對困難的實際問題,如何利用所學的知識來解決這個實際問題呢?這就需要啟發學生如何把實際問題轉化為物理問題,培養學生建立物理模型的能力．

雨水沿房頂斜坡流下,可以簡化為物體沿光滑斜面下滑的模型,如圖1所示,一個質量為m的物體放在傾角為α,高為h的光滑斜面頂端由靜止下滑,求該物體滑到斜面底端的時間．

圖1

2 提煉精髓,強化邏輯思維

在引導學生思考的同時,注重歸納總結應用牛頓運動定律解決問題的一般．即“4個什么”,即是什么物體;在什么力作用下;對什么參照系;做什么運動．

學生的解答過程如下:

那么,這個物理模型和房頂流水快慢問題如何聯系起來?

圖2

3 創新實驗,激發探究精神

“百聞不如一見,百看不如一做．”物理是一門以實驗為基礎的學科,實驗與探究能力也是高考物理考查的能力之一．物理的學習不應僅是滿足于理論推導,還應讓學生動手實踐,設計創新實驗．這里,筆者和學生一起自制了一個創新實驗裝置,如圖3所示．裝置中用光滑的鋼絲代替了光滑的斜面,穿過鋼絲的金屬小球代替了斜面上運動的物體．裝置中設置了3個不同傾角的軌道,比較小球運動的時間．

如此,讓學生更加直觀地體驗到動手的樂趣,以及物理學習中物理實驗的重要性．將創新實驗和物理知識相融合,回歸物理學習的本源,能激發學生的探究熱情．

4 學以致用,引導知識的轉化和應用

學生學習知識目的在于應用,同時應用知識解決問題是學生加深理解和鞏固知識的重要方式,“應用”是指把已有的知識用于解決作業中或實際生活中的問題．

圖4

案例2.在奧運會的精彩開幕式中,表演者手持各國國旗從體育場的圓周頂棚飛天而降動感壯觀．他們靜止站在圓周頂棚的不同點A、B、C、D、E、F沿光滑鋼索滑到場地的P區表演,如圖4所示．設頂棚的圓周平面與地面平行,下列關于各處表演者滑到P區所用時間的說法中正確的是

(A)A處表演者滑到P區所用的時間小于C處.

(B)F處表演者滑到P區所用的時間大于E處.

(C) 所有表演者滑到P區所用的時間相等.

(D) 所有表演者滑到P區所用的時間一定都不相等.

學生在解答這道題的過程中,可能會遇到兩個困難．一是無法讀懂題目中的情境,二是在轉化實際問題的過程中按案例1中的等底斜面模型來解答．其實這道例題考查的是學生對原有知識的掌握,以及對原有知識的轉化能力．

圖5

圖6

同時,這里的學生實驗可由前面的實驗裝置來完成,只要改變擺放的姿勢就好, 如圖6所示．

5 升華主題,建立發散思維

將已經掌握的知識和規律創造性地運用到新的環境中,去探索未知的知識和規律．在物理課堂的教學中,要培養學生的知識遷移的能力,這種能力是創造性人才必須具備的基本能力,也是學生在物理學習的過程中從“學會”走向“會學”的重要一環．

圖7

案例3.如圖7所示,O點是豎直圓環的頂點,Oc是圓環的直徑,Oa和Ob是兩條不同傾角的弦．在Oa、Ob、Oc上置3根光滑的線,一質點自O點靜止自由釋放,先后分別沿Oa、Ob、Oc下滑,到圓環上的a、b、c3點,其時間關系

(A) 到a點所用的時間最短.

(B) 到b點所用的時間最短.

(C) 到c點所用的時間最短.

(D) 到a、b、c3點所用的時間一樣長.

這個問題既不是等底光滑斜面模型,也不是等高光滑斜面模型,這就要求學生把前面學習的知識和規律進行遷移,發散思維來解決問題．

圖8

為了激發學生的興趣,先進行創新演示實驗．實驗裝置如圖8所示,用自行車輪的鋼圈作為圓,光滑的鋼絲作為弦,在弦上穿好帶孔的鋼球．在O點同時釋放,觀察3個小球的運動過程,可以發現3個小球同時到達．

圖9

結語:本節課始終以培養學生學習物理的本質特性為首要目標,以牛頓運動定律的綜合運用為契機,不僅要教會學生熟練應用知識分析和解決問題,還要求將其應用到實際問題中,培養學生學習物理的能力,為學好高中物理打下堅實的基礎．