高中物理探究性實(shí)驗(yàn)

鄧果

摘要：中學(xué)物理新課程標(biāo)準(zhǔn)要求利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、獨(dú)立思考能力及探索精神。文章以此為目的，以實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)——驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律一課為例，采用探究式教學(xué)方法，以問題為主線，以科學(xué)探究為載體，以發(fā)現(xiàn)問題為動(dòng)力，引導(dǎo)學(xué)生親自體驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律科學(xué)探究過程，領(lǐng)悟科學(xué)探究方法，提升起物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;實(shí)驗(yàn)

一、教材內(nèi)容分析

機(jī)械能守恒定律是高中物理課程中體現(xiàn)守恒思想的第一個(gè)定律，在整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)中起著承前啟后的作用。“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律這節(jié)課的教學(xué)對(duì)學(xué)生推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、動(dòng)手能力和分析能力都有革命性的提高。因此該課堂不僅要傳授物理規(guī)律，更重要的是通過探究式教學(xué)設(shè)計(jì)，使學(xué)生親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)悟科學(xué)探究的過程，提高物理核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)過程

（一）復(fù)習(xí)回顧，知識(shí)梳理，構(gòu)建認(rèn)知體系

師生共同回顧驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的原理和注意事項(xiàng)，提出一下4個(gè)問題。

問題1：判斷機(jī)械能守恒的條件？

問題2：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中物體質(zhì)量m是否需測(cè)量？

問題3：紙帶上某點(diǎn)速度如何測(cè)量？

問題4：有效的紙帶得如何選擇？

設(shè)計(jì)說明：通過復(fù)習(xí)判斷機(jī)械能守恒的條件、驗(yàn)證守恒的實(shí)驗(yàn)原理和注意事項(xiàng)，為本節(jié)課探究驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒提供知識(shí)儲(chǔ)備，也使學(xué)生進(jìn)一步理解功是能量轉(zhuǎn)換的量度，為學(xué)生探究系統(tǒng)機(jī)械能守恒做好鋪墊。教師介紹驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)裝置。

問題5：該實(shí)驗(yàn)器材用于驗(yàn)證機(jī)械能守恒，研究對(duì)象是誰？

問題6：從何判斷？

問題7：到底是驗(yàn)證誰機(jī)械能守恒？

設(shè)計(jì)說明：學(xué)生直觀反應(yīng)是要驗(yàn)證物塊機(jī)械能守恒，這是受利用物體自由落體運(yùn)動(dòng)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒這套裝置的影響。但當(dāng)教師拋出下一個(gè)問題，他們就很快能意識(shí)到，物塊除了重力以外還有繩子拉力在做功，所以單個(gè)物塊機(jī)械能并不守恒。馬上會(huì)有個(gè)別學(xué)生會(huì)提出小車和物塊作為系統(tǒng)機(jī)械能守恒。此時(shí)就需要教師引導(dǎo)學(xué)生思考，如何去驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒？提示學(xué)生類比學(xué)習(xí)驗(yàn)證單個(gè)物體機(jī)械能守恒的方法。有學(xué)生便提出，我們可以通過數(shù)據(jù)分析物塊減少的重力勢(shì)能，與物塊和小車動(dòng)能的增加總量在誤差允許的范圍內(nèi)是否相等，來進(jìn)行驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

（二）動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題

學(xué)生以每六個(gè)人為一小組分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)小組的學(xué)生根據(jù)自己的能力和特點(diǎn)參與實(shí)驗(yàn)過程，分工協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)過程。教師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生合理開展實(shí)驗(yàn)。幫助有困難的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。以下是某組學(xué)生獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：物塊質(zhì)量m=0.05kg，小車質(zhì)量M=0.502kg，x1=0.0158m，X2=0.0228m，t=0.04s，h=0.118m。經(jīng)數(shù)據(jù)處理測(cè)得小物塊重力勢(shì)能的減少量為0059J，系統(tǒng)的動(dòng)能增加量為0.0466J。這一數(shù)據(jù)表明小物塊重力勢(shì)能的減少量比系統(tǒng)的動(dòng)能增加量大了許多，并能說明系統(tǒng)機(jī)械能守恒。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)學(xué)生預(yù)想結(jié)果具有-定的沖擊性，能夠撼動(dòng)”學(xué)生原有的認(rèn)知體系，學(xué)生對(duì)于找出問題所在充滿了好奇，這也是科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)的最好契機(jī)。

（三）提出問題，形成猜想，修正實(shí)驗(yàn)

從該組學(xué)生數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的機(jī)械能并不守恒，其他七個(gè)小組也紛紛表示自己獲得數(shù)據(jù)也是小物塊重力勢(shì)能的減少量比系統(tǒng)的動(dòng)能增加量大了許多。教師引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想會(huì)不會(huì)本身這個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械能就不守恒？通過以下三個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生從“功是能量轉(zhuǎn)換的量度”這一角度，去發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)除了重力做功，其實(shí)還有小車所受的摩擦力做功。要使系統(tǒng)機(jī)械能守恒需要先消除摩擦力做功的影響。

問題8：為什么實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)機(jī)械能不守恒？

問題9：實(shí)驗(yàn)操作出問題還是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理出問題？

問題10：如何進(jìn)行修正實(shí)驗(yàn)？

設(shè)計(jì)說明：該環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并還是在學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作前和實(shí)驗(yàn)過程中不停地反復(fù)強(qiáng)調(diào)平衡摩擦力的重要性。通過學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)失敗來激勵(lì)學(xué)生找出影響實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟--平衡摩擦力。然后在講授平衡摩擦力的方法，讓學(xué)生重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)成功的喜悅。

問題11：如何平衡摩擦阻力的影響？

問題12：如何判定已經(jīng)平衡好摩擦力？

學(xué)生第一反應(yīng)是把木板換成更光滑的玻璃，來減小摩擦力，但是還是存在摩擦力的影響，無法完全消除，這世間沒有完全光滑的物品。教師引導(dǎo)若物塊可以在不受繩子拉力作用下做勻速直線運(yùn)動(dòng)，即為達(dá)到了平衡摩擦阻力的效果。學(xué)生能考慮到將木板適當(dāng)傾斜，重力沿斜面向下的平衡摩擦阻力的作用。若輕推物塊，發(fā)現(xiàn)其紙帶上打出的點(diǎn)跡均勻，說明已經(jīng)平衡好摩擦力。八個(gè)小組重新實(shí)驗(yàn)，平衡好摩擦力，再重新實(shí)驗(yàn)過程，獲取數(shù)據(jù)如下：物塊質(zhì)量m=005kg，小車質(zhì)量M=0502kg，x1=0.0179m，X2=0.0236m，t=0.04s，h=00807m。經(jīng)數(shù)據(jù)處理則的小物塊重力勢(shì)能的減少為0.04035J，系統(tǒng)的動(dòng)能增加量為00406J。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)是在學(xué)生親歷未平衡摩擦力導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗后修正實(shí)驗(yàn)過程，重新實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)而獲得成功。學(xué)生親身經(jīng)歷挫折后又自行找出問題、解決問題，最終感受到成功的喜悅，體驗(yàn)感極強(qiáng)。

（四）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

1.教師以思考題的形式引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

思考：是否有其他測(cè)量物體速度的測(cè)量方法？

在物理必修1第一章運(yùn)動(dòng)的描述中的科學(xué)漫步曾介紹過氣墊導(dǎo)軌和光電門及數(shù)字計(jì)數(shù)器。在教師的適當(dāng)引導(dǎo)下，學(xué)生能想到此實(shí)驗(yàn)可以通過氣墊導(dǎo)軌上完成，并調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的高低來精準(zhǔn)的平衡摩擦力的

影響。用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量瞬時(shí)速度，v=d/t其中d為遮光板的寬度，為遮光板過光電門的擋光時(shí)間。

2.教師協(xié)助學(xué)生共同完成改進(jìn)后的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

（1）用天平分別測(cè)量桶和滑塊的質(zhì)量。

（2）將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，使滑塊能在氣墊導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)，按05米間距安裝兩個(gè)光電門。

（3）啟動(dòng)氣源，釋放滑塊讓其自由滑動(dòng)，關(guān)閉氣源。

（4）采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸入Excel處理數(shù)據(jù)，如下圖所示。

（5）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：桶與砝碼的重力勢(shì)能減少量為0.1306J，小車與車上砝碼的動(dòng)能增加量為0.1302J，在誤差允許的范圍內(nèi)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。

（五）拓展探究，課堂延伸

1.教師提出探究課題是否可以利用DIS實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證物體下落過程中的機(jī)械能守恒問題。

2.學(xué)生經(jīng)過思考討論設(shè)計(jì)出在鐵架臺(tái)上豎直方向裝上兩個(gè)光電門，讓一物體自由下落，來驗(yàn)證豎直方向上的機(jī)械能守恒。

3.教師引導(dǎo)學(xué)生找出設(shè)計(jì)方案的缺陷

①演示實(shí)驗(yàn)過程，若用普通重物下落則直徑過大，用光電門測(cè)得的平均速度不能作為瞬時(shí)速度處理。

②普通物體下落過程容易碰到DIS裝置，產(chǎn)生誤差。

③教師用一枚硬幣代替重物，嘗試完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，并簡(jiǎn)單處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

④數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)用硬幣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也是不成功。教師引導(dǎo)學(xué)生找出實(shí)驗(yàn)失敗的原因：為保證實(shí)驗(yàn)的成功性，是需要硬幣在下落過程中嚴(yán)格保持水平不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過學(xué)生的多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于空氣阻力的影響是無法做到這一要求。進(jìn)而影響到光電門對(duì)硬幣的遮光距離d的測(cè)量，使得對(duì)瞬時(shí)速度的測(cè)量引發(fā)產(chǎn)生較大的影響。

4.留作課后思考該方案要如何繼續(xù)改進(jìn)，才能提升成功率

結(jié)語：在新課程背景下，讓物理教學(xué)能夠有效地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升，是每一位教師為之努力的方向。物理教學(xué)中，教師若能將物理核心素養(yǎng)教育落到實(shí)處，便能為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為我國(guó)科技發(fā)展輸送優(yōu)秀的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉思佚，牟佳佳.淺談高中物理課堂中的參與式教學(xué)[J].第二課堂（D），2021（09）：45-46.