關于蘇科版初中物理教學中兩個實驗的思考

趙抒怡

(江蘇科技大學附屬中學,江蘇 鎮江 212016)

“探究平面鏡成像的特點”和“探究杠桿的平衡條件”是蘇科版初中物理教學中兩個重要的實驗.下面將結合各地近幾年出現的部分試題,重新對這兩個實驗的設計思路作進一步分析.

1 探究平面鏡成像的特點

“探究平面鏡成像的特點”是蘇科版物理第三章第四節內容.平面鏡成像實驗是中學物理光學部分的一個重要實驗,對學生的實驗設計能力、實驗操作能力以及規律總結能力都有一定的要求.因此這個實驗也成為各個地區八年級上冊甚至中考的熱點考查實驗.下面例舉節選3道關于平面鏡成像的實驗題以分析平面鏡成像的特點.(題中序號為原題序號)

題1小利同學利用如圖1所示的裝置,做探究“平面鏡成像特點”的實驗.

圖1 探究實驗裝置圖

(2)在豎直的玻璃板前點燃蠟燭A,拿未點燃的蠟燭B豎立在玻璃板后面移動,他的眼睛一直在玻璃板的A側觀察,直至看到____,這樣,蠟燭B就替代了蠟燭A的像;

題2如圖2是探究“平面鏡成像特點”的實驗裝置圖.

圖2 探究實驗裝置圖 圖3 探究實驗裝置圖

(2)在豎立的玻璃板前點燃蠟燭A,可以看到蠟燭A在玻璃板后面的像,取一支外形相同但不點燃的蠟燭B在玻璃板后面移動,直到看上去它跟蠟燭A的像完全重合.在比較物與像的大小關系時,蠟燭B替代的是____(選填“蠟燭A的像”或“蠟燭B的像”),看到蠟燭是由光的反射____(選填“反射”或“折射”)形成的.

題3小丁利用圖3裝置探究“平面鏡成像的特點”,在水平桌面上鋪一張白紙,再將玻璃板豎立在白紙上,把一支點燃的蠟燭A放在玻璃板前面,再拿一支外形完全相同但不點燃的蠟燭B豎立在玻璃板后面移動,直到看上去它跟蠟燭A的像完全重合.

(1)把光屏放在玻璃板后,無論如何移動,都不能承接到蠟燭A的像,說明平面鏡所成的像是____像.在比較物與像的大小關系時,蠟燭B替代的是____(選填“蠟燭A”或“蠟燭A的像”),能看到玻璃板后的蠟燭B是由光的____(填“反射”或“折射”)形成的;

題1的第(2)問、題2的第(2)問、題3的第(1)問都涉及到一個共同的問題:蠟燭B替代的究竟是“蠟燭A”還是“蠟燭A的像”.題1中第(2)問題干直接給出“蠟燭B就替代了蠟燭A的像”,題2的第(2)問兩個選項“蠟燭A的像”或“蠟燭B的像”,參考答案給的是“蠟燭A的像”,題3的第(1)問兩個選項“蠟燭A”或“蠟燭A的像”,參考答案給出的是“蠟燭A的像”.在本實驗中有兩個重要目的,一是確定像的位置,二是比較像與物的大小關系.由于無法將蠟燭A與其像放到一起比較,實驗中用到了等效替代的方法,借助一根與蠟燭A相同的蠟燭B來幫助確定像的位置,比較像與物的大小.通過蠟燭B與蠟燭A的像完全重合這一現象,得出平面鏡所成像與物等大的結論.那蠟燭B在此實驗當中究竟是替代誰?對于目的一:確定像的位置,實驗中把蠟燭B放在蠟燭A的像所在位置,蠟燭B所在位置即為蠟燭A的像所在位置,可以說成,用蠟燭B的位置替代了蠟燭A的像的位置.對于目的二:比較像與物的大小關系,若如上述題中所述,蠟燭B是替代的“蠟燭A的像”,那蠟燭B的設置理應是和“蠟燭A的像”相同,而不是設置和“蠟燭A”相同.換句話說,在未知平面鏡成像物與像大小關系時,若用蠟燭B去替代“蠟燭A的像”,應選擇一個和“蠟燭A的像”完全相同的蠟燭B,實現用蠟燭B替代“蠟燭A的像”,再將蠟燭B與蠟燭A進行比較,觀察兩者是否相等,從而得到像與物大小關系[1].但很顯然在平面鏡成像實驗中并不是用這樣的思想,所以在比較像與物大小關系時,蠟燭B替代的并非是“蠟燭A的像”而是替代的“蠟燭A”.由于蠟燭A無法拿到玻璃板后面與其像進行比較,所以借助與A自身相同的B去替代A,與玻璃板背面A的像比較大小.若兩者重合則說明物體A與其在平面鏡中的像大小相等,符合本實驗的設計思路.因此上述幾道試題中的描述或答案的設置值得商榷,此類問題在今后命題時應該注意嚴謹性和準確性.

2 探究杠桿的平衡條件

“探究杠桿的平衡條件”是蘇科版物理第十一章第一節內容,是初中物理力學部分的一個重要實驗,對學生的思維能力、實驗設計能力和數據處理能力都有一定的要求.下面例舉3道關于探究杠桿平衡條件的實驗題節選.(題中序號為原題序號)

題1某同學利用裝置進行杠桿平衡條件的探究,每個鉤碼均重0.5 N.

(1)在圖4裝置中,實驗前首先要調節杠桿兩端的平衡螺母,使杠桿在____位置平衡,這樣做目的是____;

圖4 實驗裝置圖 圖5 實驗裝置圖 圖6 實驗裝置圖

題2在“探究杠桿的平衡條件”的實驗中:

(1)如圖5,將螺母向____調節,使杠桿在水平位置平衡,其目的是____.

題3在“探究杠平衡條件”的實驗中:

(1)實驗前發現杠桿左端下沉,如圖6,可將杠桿右端的平衡螺母向____調節,直至杠桿平衡.實驗前的調節平衡的目的有兩個:①消除杠桿自重對平衡的影響;②便于測量____.

上述題1和題2的第(1)問均考查測量前調節杠桿水平平衡的目的.題1中提供的參考答案是便于測量力臂;題2中提供的參考答案是避免杠桿自身的重力對實驗的影響和便于測量力臂的大小.兩題問題一致,但是提供的參考答案卻不相同.題3中第(1)問只描述要調節杠桿平衡,未強調水平位置,給出了調節杠桿平衡的兩個目的:一是消除杠桿自重對平衡的影響;二是便于測量力臂.題3和題2的問題不同,給出的“目的”卻完全相同.這就值得我們重新思考,實驗前對杠桿進行調節的目的究竟是什么?只是為了“便于測量力臂”還是只是為了“消除杠桿自重對實驗的影響”,還是兩者必須兼顧.“平衡”和“水平平衡”是兩個不同的概念,從調節的要求“水平平衡”來看,可以拆分成兩個關鍵詞“平衡”和“水平”,即既需要調節杠桿保持平衡狀態,又需要控制在水平位置.下面分別對“平衡”和“水平”進行討論.杠桿保持靜止是最簡單的平衡狀態,不管處于什么位置的平衡狀態,根據“懸掛法”可以判斷杠桿的重心位于過其支點且與地面垂直的這條直線上[2].如圖7中虛線所在位置通過支點,所以在施加外力之前,杠桿在任意位置保持平衡時,杠桿自身重力產生的力臂均為零.相反,如果測量前未對杠桿調節平衡,杠桿處于非平衡狀態時就開始進行實驗,這時杠桿自身重力產生的力臂則不為零,對后續實驗的測量、數據的處理、規律的總結帶來影響.因此測量前調節杠桿的平衡是必要的步驟,目的在于消除杠桿的自重對實驗的影響.

圖7 實驗裝置圖

需要說明的是,整個實驗中要達到消除杠桿自重對實驗影響這一目的,必須使得杠桿在測量前和施加外力后保持在相同的位置平衡,即如圖8所示,若實驗前調節杠桿在傾斜位置平衡,施加外力之后仍然要保持在此位置平衡,即角a必須等于角b,這也是此實驗得出正確結論的必要要求[3].因此,調節杠桿在傾斜位置平衡,理論上是完全可行的,但是實際操作中會帶來兩個問題:一是不方便控制測量前和施加外力后杠桿位于相同的傾斜位置;二是給力臂的測量帶來麻煩.因此,本實驗要求中強調“水平位置”顯得很有必要.綜上分析,上述題1與題2中,關于“測量前調節杠桿水平平衡的目的”可以概括為:消除杠桿自重對實驗的影響和便于測量力臂,兩者缺一不可.題3中的問題描述存在問題,應該強調“水平平衡”,如果只強調“平衡”沒有“水平”,那目的只有一個:消除杠桿自重對實驗的影響,并沒有達到便于測量力臂的目的.

圖8 實驗裝置圖

綜上分析,在平面鏡成像實驗中,為達到確定像的位置這一目的,蠟燭B是替代了蠟燭A的像的位置,但是在比較像與物大小時,蠟燭B的作用是替代了蠟燭A本身而非其他.在杠桿平衡實驗中,回答“實驗前調節杠桿水平平衡的目的”時,應該注意到“平衡”和“水平”兩個關鍵詞,分別對應“消除杠桿自重的影響”和“便于測量力臂”,這兩個目的缺一不可.在課堂教學中,對這兩個實驗的原理和設計思路要仔細分析,注意準確講解引導學生分析.