蘇安良 李 琳

（陜西商洛市商州區(qū)中學(xué) 陜西 商洛 726000）

“學(xué)力”.本文著重分析實(shí)驗(yàn)題設(shè)置中的“思維要素”

和“知識(shí)梯度”，以及解答實(shí)驗(yàn)題對(duì)“提升學(xué)力”的啟示.

1 明確實(shí)驗(yàn)題的“思維要素”是提升“學(xué)力”的關(guān)鍵

實(shí)驗(yàn)題是實(shí)驗(yàn)操作過程的情景再現(xiàn)，是各種知識(shí)要素的精縮，是對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯W(xué)習(xí)程度的檢閱，是對(duì)思維能力和探究能力及遷移能力的考查.因此，做實(shí)驗(yàn)題時(shí)，思維要素（即各種能力和與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的各種理論，包括實(shí)驗(yàn)背景及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)）必須周全，切忌支離破碎.

【例1】某實(shí)驗(yàn)小組利用圖1所示裝置研究杠桿的機(jī)械效率，實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下：

第1步：用輕繩懸掛杠桿一端的O點(diǎn)作為支點(diǎn)，在A點(diǎn)用輕繩懸掛總重為G的鉤碼，在B點(diǎn)用輕繩豎直懸掛一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，使杠桿保持水平.

第2步：豎直向上拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)緩慢勻速上升（保持O點(diǎn)位置不變），在此過程中彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)為F，利用刻度尺分別測(cè)出A，B兩點(diǎn)上升的高度為h1，h2.

回答下列問題：

（1）杠桿機(jī)械效率的表達(dá)式為η＝______（用已知或測(cè)量的物理量符號(hào)表示）；

（2）本次實(shí)驗(yàn)中，若提升的鉤碼重一定，則影響杠桿機(jī)械效率的主要因素是______；

（3）若只將鉤碼的懸掛點(diǎn)由A移至C，O和B位置不變，仍將鉤碼提升相同的高度，則杠桿的機(jī)械效率將______（選填“變大”“變小”或“不變”）.

圖1

“思維要素”釋義：第（1）問考查的是機(jī)械效率的含義，只要能正確理解有用功、總功及機(jī)械效率的概念，就能寫出正確答案，即

第（2）問考查的是影響機(jī)械效率大小的因素.一般來說由公式可知，機(jī)械的自重G機(jī)越小機(jī)械效率越大，或提升的物體越重機(jī)械效率越大.而本問的前提是“提升的鉤碼重一定”，因此學(xué)生只要掌握上述公式的推導(dǎo)和含義很容易想到影響杠桿機(jī)械效率的主要因素是杠桿的自重.

第（3）問是對(duì)學(xué)生思維能力和分析能力的進(jìn)一步升華，將探究過程引向深入：杠桿的機(jī)械效率與鉤碼的懸掛點(diǎn)有無關(guān)系？分析這個(gè)問題，學(xué)生必須在大腦中構(gòu)建幾何圖像，如果提升鉤碼的高度不變，將鉤碼的懸掛點(diǎn)向左移，則杠桿的重心上升的高度必將減小，在做相同有用功的前提下，額外功減小了，導(dǎo)致總功減小，杠桿的機(jī)械效率將變大.

還可以探究杠桿的機(jī)械效率與彈簧測(cè)力計(jì)的懸掛點(diǎn)有無關(guān)系.

圖2

如圖2所示，設(shè)杠桿的重心在C點(diǎn)，當(dāng)C點(diǎn)上升的高度為h0時(shí)，A，B兩點(diǎn)上升的高度為h1，h2，F(xiàn)，G機(jī)，G的力臂分別為l1，l2，l3，由杠桿平衡條件得

由幾何關(guān)系得

所以有

將以上關(guān)系代入式（1）中得

由此式可知，杠桿機(jī)械效率的大小與杠桿自重G機(jī)，懸掛的重物G及重物懸掛的位置有關(guān)，而與重物上升的高度及彈簧測(cè)力計(jì)的懸掛位置無關(guān).

“提升學(xué)力”評(píng)價(jià)：本題考點(diǎn)來自課本，但設(shè)計(jì)新穎，并且問題設(shè)置螺旋升華.對(duì)學(xué)生的能力提出了較高的要求，有效地考查了學(xué)生的分析、推理、歸納、遷移等綜合能力，同時(shí)也突出了對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的靈活應(yīng)用能力.那些在學(xué)習(xí)中靠死記硬背得到的知識(shí)，根本不可能對(duì)上題應(yīng)對(duì)自如.對(duì)于那些學(xué)有余力的學(xué)生還可以改變題目再探究，如“若彈簧測(cè)力計(jì)始終垂直杠桿向上拉物體，以上各問結(jié)果又如何？”“如果杠桿的質(zhì)量分布不均勻，將杠桿的兩端調(diào)換一下，杠桿的機(jī)械效率將怎樣變化，此時(shí)影響杠桿機(jī)械效率的因素有哪些？”這樣深入探究，思維不斷輻射，加強(qiáng)了針對(duì)性，減少了學(xué)習(xí)精力的耗散，不僅可以提升學(xué)生的思維能力，也可以使知識(shí)不斷合理升華，提升“學(xué)力”，達(dá)到融會(huì)貫通之目的，在應(yīng)用中才能左右逢源、游刃有余.

2 理解實(shí)驗(yàn)題的“知識(shí)梯度”是提升“學(xué)力”的根本

物理實(shí)驗(yàn)題往往在設(shè)置上是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，是按照層級(jí)推進(jìn)的一種系統(tǒng)性.設(shè)計(jì)階梯型的螺旋上升的知識(shí)體系，隨著學(xué)生能力的提高逐步加強(qiáng)掌握的高度和難度.只有這樣，學(xué)生的思維方法才能不斷增多，能力才會(huì)不斷提高，才會(huì)從“要我學(xué)”向“我要學(xué)”轉(zhuǎn)化.

【例2】用細(xì)線拴住一端粗，一端細(xì)的實(shí)心胡蘿卜并懸掛起來，靜止后胡蘿卜的軸線水平，如圖3所示.在拴線處沿豎直方向?qū)⒑}卜切成A，B兩段.A，B哪段重些呢？甲、乙、丙三個(gè)同學(xué)提出各自的猜想：

生甲：A較重；生乙：B較重；生丙：A，B一樣重.

圖3

（1）請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)，判斷A，B的輕重.

所用器材：______________；

操作方法：_____________；

現(xiàn)象及結(jié)論：_______________.

（2）為進(jìn)一步研究類似A，B輕重的問題，某同學(xué)在一根有等間距刻度的均勻杠桿兩側(cè)掛上每個(gè)質(zhì)量都相等的鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn).杠桿靜止于水平狀態(tài)的三次實(shí)驗(yàn)情境如圖4所示.

1）根據(jù)圖4的實(shí)驗(yàn)，可以判斷______同學(xué)的猜想是正確的（填“甲”“乙”或“丙”）.

2）根據(jù)圖4的實(shí)驗(yàn)，該同學(xué)得出結(jié)論：只要滿足“阻力×阻力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離＝動(dòng)力×動(dòng)力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離”，杠桿就能平衡.

①這個(gè)結(jié)論是否正確？

②用圖5所示的裝置，怎樣通過實(shí)驗(yàn)來說明該結(jié)論是否正確.

圖4

“知識(shí)梯度”釋義：

第①問根據(jù)所給物理情境定性判斷誰(shuí)重，判斷的方法很多，學(xué)生答題的空間較大，思維處于開放階段.學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案尋找器材寫出操作方法，并預(yù)測(cè)現(xiàn)象及結(jié)論，例如將A，B放在調(diào)好的天平兩端，下沉的那端重等.

第②問的三幅圖實(shí)質(zhì)是探究杠桿平衡條件時(shí)具有代表性的實(shí)驗(yàn)，也是學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn).但這個(gè)實(shí)驗(yàn)的背景是未掛物體時(shí)必須調(diào)整杠桿在水平位置平衡，其目的是便于讀力臂和忽略杠桿自身重對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.可見實(shí)驗(yàn)結(jié)論和實(shí)驗(yàn)過程還是有一定差距的，如何跨越這個(gè)差距，試題只設(shè)計(jì)一幅圖（圖5），且未做啟示，要求學(xué)生針對(duì)這幅圖的情境集中思維，說明驗(yàn)證過程.這一問對(duì)能力的要求很高，那些在學(xué)習(xí)中未透徹理解知識(shí)的學(xué)生是很難答出的.事實(shí)上這幅圖是將一個(gè)力的大小設(shè)定，讓彈簧測(cè)力計(jì)從不同方向作用于同一點(diǎn)，以實(shí)際數(shù)據(jù)定量驗(yàn)證“阻力×阻力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離＝動(dòng)力×動(dòng)力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離”這個(gè)結(jié)論是錯(cuò)誤的.本題層層遞進(jìn)，步步升華，從定性到定量，從思維發(fā)散到思維集中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是顯而易見的.

“提升學(xué)力”啟示：通過對(duì)上述實(shí)驗(yàn)題的分析可知，要正確解答實(shí)驗(yàn)題，提升“學(xué)力”，必須注意以下幾點(diǎn).

（1）掌握實(shí)驗(yàn)流程，重視基本概念

圖5

實(shí)驗(yàn)的一般流程是，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模伎紝?shí)驗(yàn)方法，選擇實(shí)驗(yàn)器材，組裝與操作，數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論，分析討論，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià).通過例2可以看出，做實(shí)驗(yàn)題時(shí)需明確以下兩點(diǎn)：一是抓住概念，如力臂的概念（從支點(diǎn)到力的作用線的垂直距離）.二是理解規(guī)律，如杠桿的本質(zhì)是什么？“杠桿平衡”的含義是什么？杠桿的平衡條件是什么？將杠桿調(diào)到水平位置平衡為什么可以忽略杠桿自身重？

（2）分析問題錯(cuò)因，正確遷移知識(shí)

解題時(shí)若能明確例2中為什么會(huì)得出“阻力×阻力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離＝動(dòng)力×動(dòng)力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離”的結(jié)論，就會(huì)完全掌握解題的要領(lǐng).由于不理解“點(diǎn)到線與點(diǎn)到點(diǎn)的距離有什么差別”，或更本質(zhì)地說不能聯(lián)系“力的作用點(diǎn)與力的作用方向不同都可以改變力的作用效果”對(duì)研究杠桿平衡條件的內(nèi)在影響，就可能認(rèn)為“阻力×阻力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離＝動(dòng)力×動(dòng)力作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離”這個(gè)觀點(diǎn)正確.有人認(rèn)為這是學(xué)生數(shù)學(xué)能力差引起的，顯然是片面的.可見正確遷移物理知識(shí)和數(shù)學(xué)知識(shí)是判斷“是非”的基礎(chǔ).

（3）多維設(shè)計(jì)操作，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

楊振寧說“加強(qiáng)發(fā)散思維的訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的‘重點(diǎn)工程’.”如例2第①問中操作方案有，用天平測(cè)質(zhì)量大小，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量重力，用排水法測(cè)量體積，放在輕質(zhì)杠桿兩端判斷，壓強(qiáng)測(cè)量法（用切開的面壓海綿，觀察陷入的深度）及利用漂浮判斷（放在漂浮在水面的盒子中，觀察盒子浸入水中的深度）等等.

（4）體驗(yàn)思維方法，學(xué)會(huì)自主探究

學(xué)習(xí)物理不僅是掌握物理知識(shí)，更重要的是學(xué)會(huì)物理學(xué)的思想和方法，在掌握物理知識(shí)的基礎(chǔ)上，嘗試主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題，自主探究問題，歸納分析結(jié)果，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)心體驗(yàn)，提升學(xué)習(xí)興趣，提高觀察事物和分析事物的實(shí)踐能力及獨(dú)立解決問題能力.例2中，從問題情境出發(fā)，從特殊到一般，以及多種操作方法的獲得都充分說明多次實(shí)驗(yàn)（測(cè)量）才能說明一種物理現(xiàn)象具有某種規(guī)律，只有這樣才能避免以偏概全的簡(jiǎn)陋方法，從而消除學(xué)習(xí)中的障礙.例2中，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)不僅明確了力的三要素中任何一個(gè)要素變化都會(huì)影響力的作用效果，還明白了在一定條件下杠桿能在非水平狀態(tài)平衡，從而實(shí)實(shí)在在地掌握了杠桿平衡條件.同時(shí)控制變量法、多次測(cè)量法、分析歸納法、演繹法等物理思維方法也得到了訓(xùn)練.