凸顯學(xué)生自主探究 培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)
——以“探究重力加速度對單擺周期的影響”為例

(福建省漳州第一中學(xué)，福建 漳州 363000)

1 引言

各種版本的高中物理教材在“單擺”一節(jié)中都設(shè)計了相關(guān)實驗，引導(dǎo)學(xué)生探究擺球質(zhì)量、擺角(振幅)、擺長對單擺周期的影響，通過這些實驗培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，加深了學(xué)生對控制變量法的理解，進(jìn)一步認(rèn)識到控制變量法的巧妙性與重要性。但遺憾的是，教材中都缺失了探究重力加速度對單擺周期影響的內(nèi)容。筆者查閱了人教版和魯科版物理選修3-4教材，在探究完“質(zhì)量、擺角、擺長對單擺周期的影響”后，通過簡單的介紹便引出了單擺周期公式。

教材的這種處理方式常常會引發(fā)學(xué)生的質(zhì)疑，在教學(xué)過程中，面對學(xué)生的質(zhì)疑，筆者給出了解釋，教材之所以沒有探究“重力加速度對單擺周期的影響”，是由于重力加速度g值在一定范圍內(nèi)近似為定值，這樣的回答一方面讓學(xué)生明白了“事出有因”，維護(hù)了教材的權(quán)威，同時又為引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計可行的實驗方案埋下伏筆。筆者順勢鼓勵、引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗方案，探究“重力加速度對單擺周期的影響”。學(xué)生在課后進(jìn)行了多次討論，通過查閱圖書館資料、調(diào)閱網(wǎng)絡(luò)資源，最終確定了5個探究方案，將學(xué)生分為5個小組，分別進(jìn)行課外自主探究。

2 學(xué)生探究過程

2.1 利用海拔高度改變重力加速度

第1小組的實驗方案是帶上實驗器材到漳州市第一高峰大芹山做實驗，大芹山海拔1544.8m，學(xué)生原計劃在大芹山山腳下測一次秒擺周期，利用手機(jī)軟件“GPS海拔表”實時測定海拔高度，海拔高度每升高200m測一次，到達(dá)山頂再測一次，記錄9組數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出實驗結(jié)果。鑒于大芹山離市區(qū)路途遙遠(yuǎn)，登山做實驗又具有一定的危險性，為避免學(xué)生舟車勞頓、無功而返，筆者提醒學(xué)生在出發(fā)前務(wù)必要做好實驗可行性分析。學(xué)生們經(jīng)過理論計算，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)：原本信心滿滿的實驗方案，實際上無法實現(xiàn)，失望之余，他們又暗自慶幸：如果沒有做可行性分析，他們將白忙一場。

表1 海拔高度對單擺周期的影響

由表1可以看出：海拔高度對單擺周期的影響非常小，考慮到測量誤差等因素，利用中學(xué)現(xiàn)有器材難以進(jìn)行探究。

2.2 利用緯度改變重力加速度

第2小組的實驗方案是準(zhǔn)備聯(lián)絡(luò)全國(全球)處于不同緯度的網(wǎng)友，在擺長一定(l=1.000m)時測定單擺周期，錄制成視頻，由于不同緯度重力加速度不同，測定的單擺周期應(yīng)該不同，通過匯總分析，實現(xiàn)探究“重力加速度對單擺周期影響”的目的。

在學(xué)生開展實驗前，考慮到聯(lián)絡(luò)各地網(wǎng)友的工作量，筆者同樣提醒學(xué)生做可行性分析(如表2)。

表2 地理緯度對單擺周期的影響

由表2可以看出：緯度對單擺周期的影響也是微不足道的，以秒擺為例，從赤道到南北極，周期變化并不明顯，考慮到測量誤差等因素，利用中學(xué)現(xiàn)有器材也難以實現(xiàn)，第2小組也放棄了實驗。

2.3 利用電場等效原理改變“重力加速度”

受文獻(xiàn)[3]的啟發(fā)，第3小組利用燒烤用的錫箔紙制作了簡易的平行板電容器，在上極板的正中間剪開一條小縫(如圖1)，讓擺球能在平行板電容之間做小角度擺動，通過感應(yīng)起電機(jī)讓金屬擺球帶上靜電，閉合開關(guān)，給平行板電容器充電，觀測充電前后單擺周期的變化(如圖2)。

圖1

圖2

但是，實驗的結(jié)果讓學(xué)生感到十分意外，單擺周期在平行板電容器充電后并未發(fā)生任何變化，重復(fù)多次，實驗還是以失敗告終。學(xué)生心有不甘，請教師幫忙分析失敗的原因。筆者沒有馬上給出答案，而是引導(dǎo)他們自主分析，給出了進(jìn)一步探究方向——“定量分析金屬小球在電場中的受力”。

2.4 利用超重、失重，改變“重力加速度”

第4小組的實驗方案是利用超重、失重效應(yīng)改變重力加速度，當(dāng)電梯獲得豎直向上的加速度a時，等效重力加速度g′=g+a，將觀察到單擺周期變小；當(dāng)電梯獲得豎直向下的加速度a時，等效重力加速度g′=g-a，將觀察到單擺周期變大。

表3 利用超重失重等效改變g值

在學(xué)校實驗樓(7層建筑)內(nèi)的電梯里進(jìn)行實驗，電梯最大速度約2m/s，電梯加速、減速時間較短，為此，實驗小組特地縮短了擺長，減小單擺周期，盡可能保證整個測量周期內(nèi)電梯都處于加速或減速狀態(tài)。實驗結(jié)果表明：單擺周期與重力加速度有關(guān)，等效重力加速度增大，周期減小，等效重力加速度減小，周期增大。

2.5 利用磁場改變“重力加速度”

第5小組的實驗方案是利用磁鐵對鐵質(zhì)單擺小球的吸引力，等效增大“重力加速度”，對于同一單擺，在小鐵球正下方放置磁鐵后，單擺周期將減小。為了盡可能構(gòu)造勻強(qiáng)磁場，實驗小組將6根條形磁鐵并在一起放置在小球正下方，實驗過程中小球盡可能靠近磁鐵，實驗小組在探究過程中觀察到某一擺長的單擺，在小球下方未放置磁鐵時，周期T=1.87s；放置磁鐵后，周期減小為1.62s，周期明顯減小，實驗證明：當(dāng)?shù)刃е亓铀俣仍龃髸r，單擺周期減小。

3 對學(xué)生自主探究過程的評價

此外，探究采取了分組探究的方式，不同小組探究內(nèi)容不同，實驗結(jié)束后，各小組在課堂上交流實驗成果，分享心得，有效發(fā)揮了團(tuán)隊的力量，提高了探究效率，學(xué)生的交流合作能力得以提高。采取室內(nèi)和室外實驗相結(jié)合、課外探究和課內(nèi)交流相結(jié)合的形式，有效打破了時間、空間限制，解決了高中階段課時緊張、無法深入開展實驗探究的問題。一線物理教師應(yīng)該重視實驗教學(xué)，推陳出新，挖掘?qū)嶒瀮?nèi)容，創(chuàng)新實驗形式，達(dá)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。