基于原始問題的高中物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分析
——以“網(wǎng)球塔”的搭建為例

張彥文 吳家盛 成 濤 鐘 鳴

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

1 引言

目前中學(xué)物理課程改革不斷深化,但是中學(xué)物理教學(xué)中還存在著一些跟課改精神不符的問題:一方面,在介紹物理概念、規(guī)律之后,以物理解題為導(dǎo)向,追求學(xué)生物理演算能力的培養(yǎng);物理實(shí)驗(yàn)不被重視,這樣的物理教學(xué)模式潛移默化地向?qū)W生傳遞了“物理習(xí)題即物理問題”的錯誤觀念。[1]另一方面,不論是演示實(shí)驗(yàn)還是學(xué)生實(shí)驗(yàn),其結(jié)論以及可能產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是可預(yù)知、可控的。學(xué)生不容易遇到實(shí)驗(yàn)的意外情況,因此缺失實(shí)際問題解決的能力,思維活躍度較低,學(xué)生很難通過這種實(shí)驗(yàn)活動掌握研究物理問題的一般方法。對于很多學(xué)生而言,物理概念和物理規(guī)律是十分抽象的,物理實(shí)驗(yàn)是有操作難度的,這導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏學(xué)情緒,不利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理教學(xué)的重要組成部分,有助于提高學(xué)生的物理思維能力、科學(xué)探究能力,為深度學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在實(shí)際教學(xué)中,很多探究性實(shí)驗(yàn)仍然是學(xué)生在教師有目的的引導(dǎo)下為得出固有結(jié)論而進(jìn)行的“假探究”。[2]真正意義上的探究性實(shí)驗(yàn)應(yīng)該基于在社會生產(chǎn)活動、生活中真實(shí)存在的能夠反映物理概念、規(guī)律,但未經(jīng)加工的物理現(xiàn)象和問題(即原始物理問題)。[3]在探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,應(yīng)創(chuàng)設(shè)生活化情境,讓學(xué)生在面對與生活緊密結(jié)合的物理現(xiàn)象時,學(xué)會從物理現(xiàn)象蘊(yùn)含的眾多因素中找到合適的切入點(diǎn),建構(gòu)模型,綜合運(yùn)用所學(xué)理論解決實(shí)際問題,讓學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中自主參與實(shí)驗(yàn)探究活動,培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。[4]本文以“網(wǎng)球塔”的搭建為例,從有趣的原始物理問題出發(fā),探討高中物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路、方法與模式。

2 高中物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分析

2.1 創(chuàng)設(shè)情境,提出問題

原始物理問題存在較高隱蔽性,而高中生缺乏物理知識儲備,物理感知能力較弱,讓學(xué)生自己在現(xiàn)實(shí)生活中主動探尋有研究價值的物理問題存在一定的困難,教師可為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)并提出具有研究價值的原始物理問題。

情境創(chuàng)設(shè)：2019年格魯吉亞物理學(xué)家安德里亞·羅加瓦教授在不使用任何外界支撐或粘合的情況下,用網(wǎng)球按照每層3個、頂層1個的方式搭建了一座9層“網(wǎng)球塔”(圖1)。

請學(xué)生用網(wǎng)球嘗試搭建上述網(wǎng)球塔,學(xué)生發(fā)現(xiàn),“網(wǎng)球塔”搭建的層數(shù)越高,越容易倒塌。由此提出問題:每層3個的網(wǎng)球塔的極限層數(shù)是多少?網(wǎng)球塔的穩(wěn)定性與哪些因素有關(guān)?請同學(xué)們在小組內(nèi)討論,并做出猜想與假設(shè)。學(xué)生提出影響網(wǎng)球塔穩(wěn)定性的因素有:網(wǎng)球表面間的摩擦因數(shù)、網(wǎng)球與底部接觸面的摩擦因數(shù)等。其中有的可能是主要因素,有的可能是次要因素,首先需要進(jìn)行簡單的篩選。比如,如果學(xué)生認(rèn)為網(wǎng)球塔極限層數(shù)與網(wǎng)球之間的接觸面積有關(guān),可以在網(wǎng)球上沾墨水,通過觀察知道:兩個球體之間基本為點(diǎn)接觸而非面接觸。

2.2 分組實(shí)驗(yàn),探究網(wǎng)球塔的穩(wěn)定性

由于網(wǎng)球塔的搭建需要多人合作完成,因此實(shí)驗(yàn)可以采取分組合作的形式展開。在粗糙程度相同的水平桌面上搭建網(wǎng)球塔,由于網(wǎng)球塔有層數(shù)限制,顯然不同層數(shù)的穩(wěn)定性是不一樣的。

隨著搭建層數(shù)的增加,如何判斷網(wǎng)球塔的穩(wěn)定性?首先應(yīng)明確“穩(wěn)定性”的定義,一個力學(xué)系統(tǒng)受外力的作用而處于平衡狀態(tài),受到外界的微小擾動后,系統(tǒng)趨向于恢復(fù)到平衡位置,則平衡是穩(wěn)定的;系統(tǒng)越來越遠(yuǎn)離平衡位置,則平衡不穩(wěn)定;剛好打破力學(xué)系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需的臨界微擾值越大,系統(tǒng)穩(wěn)定性越強(qiáng)。

基于上述定義,需要給網(wǎng)球塔施加擾動,即人為施加一定的推力。出于數(shù)據(jù)采集的要求,需要在施加推力的同時獲取推力值,可使用力傳感器。力傳感器可實(shí)時顯示并記錄推力大小,靈敏度較高,學(xué)生在利用力傳感器推網(wǎng)球塔時,應(yīng)保持在水平方向上施加推力F(圖2),可在電腦屏幕上顯示F-t圖像,F-t圖像中的峰值即為網(wǎng)球塔被推倒的臨界微擾值。

圖2 網(wǎng)球的穩(wěn)定性探究

在實(shí)驗(yàn)中控制其他因素不變,用力傳感器水平推動各層網(wǎng)球塔,直到網(wǎng)球塔正好倒塌。重復(fù)多次實(shí)驗(yàn),記錄測量得到的最小推力值,并求出平均值,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 “3+3+3+1”型網(wǎng)球塔推力數(shù)據(jù)

通過各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn):推力的大小由頂層到底層逐漸增大,即每層3個的網(wǎng)球塔穩(wěn)定性由頂層到底層逐漸增強(qiáng)。

2.3 收集資料,建構(gòu)模型

對網(wǎng)球塔的受力分析要用到剛體力學(xué)知識,可以讓學(xué)生自行查閱相關(guān)資料,教師也可以視實(shí)際情況,向?qū)W生提供自學(xué)材料,并適當(dāng)介紹剛體平衡條件等基礎(chǔ)知識,引導(dǎo)學(xué)生對網(wǎng)球塔進(jìn)行受力分析。學(xué)生在動手搭建的過程中,能夠體會到摩擦是必不可少的,而當(dāng)網(wǎng)球塔平衡時,對應(yīng)的是靜摩擦。

具體分析過程如下:(1) 將網(wǎng)球視為質(zhì)量、半徑相同的剛體球,并假設(shè)相鄰兩球均互相接觸。對網(wǎng)球塔從上到下逐層受力分析。規(guī)定最頂層網(wǎng)球?yàn)榈?層,從上到下,層數(shù)i遞增,總層數(shù)為n。(2) 依據(jù)各層網(wǎng)球與上、下層接觸的情況,分為頂層、次頂層、中間層、底層。

2.3.1 頂層網(wǎng)球與次頂層網(wǎng)球受力分析

2.3.2 中間層網(wǎng)球受力遞推關(guān)系分析

2.3.3 底層網(wǎng)球受力分析

2.4 設(shè)計(jì)方案,實(shí)驗(yàn)探究

通過上述物理模型的分析,為了維持網(wǎng)球塔的穩(wěn)定,需要保證不同層間的網(wǎng)球靜摩擦因數(shù)以及網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)達(dá)到一定的值。這里需要注意的是,我們通常認(rèn)為靜摩擦因數(shù)和正壓力無關(guān),前提是壓力幾乎不改變接觸表面的性質(zhì),而在實(shí)際情況中,網(wǎng)球表面羊毛材質(zhì)的絨毛在受到不同壓力的情況下會發(fā)生不同程度的形變,導(dǎo)致網(wǎng)球間接觸面性質(zhì)發(fā)生了變化,從而使得靜摩擦因數(shù)發(fā)生變化。因此,需要設(shè)計(jì)方案,探究網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)、網(wǎng)球與網(wǎng)球間的靜摩擦因數(shù)及其隨壓力變化情況。

2.4.1 網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)

如圖4所示,將3只網(wǎng)球固定,利用力傳感器沿某一網(wǎng)球球心與三個網(wǎng)球的中心連線方向推該網(wǎng)球,網(wǎng)球與桌面發(fā)生相對滑動時,推力會達(dá)到一個峰值,該峰值對應(yīng)于網(wǎng)球與桌面間的最大靜摩擦力,重復(fù)測量5次,將數(shù)據(jù)記錄在表2中。

表2

圖4 網(wǎng)球與桌面靜摩擦因數(shù)測量裝置

如果測得網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)大于理論值,則滿足穩(wěn)定條件,否則需要增加桌面的粗糙程度。

2.4.2 網(wǎng)球與網(wǎng)球間的靜摩擦因數(shù)

如圖5所示,將一網(wǎng)球皮剝下并固定在平面上,將另一網(wǎng)球剪開,在網(wǎng)球中添加砝碼以改變網(wǎng)球質(zhì)量,用同樣的方法測量最大靜摩擦力,計(jì)算出靜摩擦因數(shù)并進(jìn)行記錄。

圖5 網(wǎng)球與網(wǎng)球靜摩擦因數(shù)測量

圖6 網(wǎng)球間靜摩擦因數(shù)隨正壓力變化關(guān)系

2.5 處理數(shù)據(jù),得出結(jié)論

如圖7所示,繪制不同層數(shù)網(wǎng)球塔保持穩(wěn)定時理論上所需要的靜摩擦因數(shù)和實(shí)際測得的靜摩擦因數(shù)的圖像,得到兩條曲線的交點(diǎn)為i≈11。當(dāng)i>11時,實(shí)際的靜摩擦因數(shù)小于理論上網(wǎng)球塔保持穩(wěn)定需要的靜摩擦因數(shù),因此對于每層3個的情況,高于11層的網(wǎng)球塔無法搭建成功。根據(jù)不同網(wǎng)球質(zhì)量的細(xì)微差別和實(shí)驗(yàn)條件,網(wǎng)球塔的理論層數(shù)限制在10～12層。實(shí)際搭建的最高層數(shù)為9層?？紤]到網(wǎng)球?qū)嶋H形狀非理想剛體球形等不可避免的誤差因素,基本符合理論層數(shù)限制。

圖7 網(wǎng)球塔層數(shù)限制函數(shù)圖像

3 結(jié)語

作為高中物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個案例,本文以搭建“網(wǎng)球塔”這一原始物理問題為載體,讓學(xué)生嘗試搭建并發(fā)現(xiàn)“網(wǎng)球塔”的層數(shù)限制。在分組實(shí)驗(yàn)中,通過改變網(wǎng)球質(zhì)量,探究出網(wǎng)球與網(wǎng)球間靜摩擦因數(shù)隨壓力變化的關(guān)系,將實(shí)際的靜摩擦因數(shù)與理論需要的靜摩擦因數(shù)相比較,得出每層3個網(wǎng)球塔的層數(shù)限制為10～12層,并通過實(shí)驗(yàn)成功搭建了9層網(wǎng)球塔,接近理論層數(shù)限制。利用力傳感器探究網(wǎng)球塔各層穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)球塔各層穩(wěn)定性自頂層至底層不斷增強(qiáng)。

通過這樣的探究性實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生體驗(yàn)現(xiàn)象→建構(gòu)物理模型→探究實(shí)驗(yàn)變量→總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的過程。該實(shí)驗(yàn)具有挑戰(zhàn)性和趣味性特點(diǎn),保持網(wǎng)球塔的結(jié)構(gòu)有很多種解決方案,容易激發(fā)學(xué)生的好奇心與好勝心;而實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出涉及穩(wěn)定、靜摩擦因數(shù)、剛體平衡和立體幾何等知識,可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中學(xué)習(xí)和鞏固物理概念、規(guī)律,在物理概念、規(guī)律的運(yùn)用中提高創(chuàng)新能力。在這一過程中學(xué)習(xí)使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理軟件,提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、數(shù)據(jù)分析能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。由于原始物理問題具有開放性,解決方案不唯一,在“習(xí)題一統(tǒng)天下”的物理教學(xué)現(xiàn)狀之下,基于原始物理問題的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)也能夠在一定程度上推進(jìn)物理教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變,提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。