胡 甜
(江蘇省常州高級中學(xué) 江蘇 常州 213003)
物理學(xué)是研究物質(zhì)運動規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科.作為自然學(xué)科的帶頭學(xué)科,物理學(xué)研究大至宇宙天體、小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運動形式和規(guī)律,成為所有自然科學(xué)學(xué)科的研究根基.物理學(xué)的理論結(jié)構(gòu)充沛地運用數(shù)學(xué)作為工作語言,以實驗作為檢驗理論的唯一準(zhǔn)繩,是當(dāng)今最精密的一門自然科學(xué)學(xué)科.高中物理教學(xué),作為銜接以直接經(jīng)驗為基礎(chǔ)的初中物理和以高等數(shù)學(xué)為載體的理論物理的關(guān)鍵階段,理應(yīng)展示各種類型的物理實驗,具體形象地展示物理知識的形成和發(fā)展過程,強化學(xué)生的感知并及時糾正在感知中形成的錯覺,從而達到豐富學(xué)生頭腦中感性材料的儲存及發(fā)展智力和培養(yǎng)能力的目的,系統(tǒng)構(gòu)建學(xué)生的自然科學(xué)知識體系.
本文以人教版《物理·選修3-4》第十一章第1節(jié)“簡諧運動”為例,談?wù)劵趥鹘y(tǒng)實驗的技術(shù)創(chuàng)新對學(xué)生知識體系構(gòu)建的重要影響.
簡諧運動是自然界最簡單、最基本的機械振動,是物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比,并且總指向平衡位置的回復(fù)力作用下的振動,弄清簡諧運動的規(guī)律對進一步學(xué)習(xí)機械波、交流電、電磁波等都具有非常重要的意義.而簡諧運動的模型分析方法正是高中生的學(xué)習(xí)盲點之一,剛進入高二年級的學(xué)生思維具有單一性和定式性,他們習(xí)慣于分析恒力作用下物體的單程運動,對簡諧運動的動力學(xué)多量分析會感到有些困難.因此,教材直接從運動學(xué)角度來定義簡諧運動,把“位移與時間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)規(guī)律的振動”稱為簡諧運動.這種改動符合高中生從運動學(xué)特征對質(zhì)點的運動進行分類的認(rèn)知習(xí)慣[1],降低了教學(xué)難度.但在大多數(shù)課堂上,無論是簡單直觀的彈簧振子,還是精微深奧的等時單擺,都只能通過演示振子的運動過程幫助學(xué)生分析歸納運動的特點,不能在課堂上直接呈現(xiàn)簡諧運動的本質(zhì)精髓——振動圖像(x-t圖)是一條正弦曲線.
下面介紹兩種對傳統(tǒng)實驗的改進,幫助學(xué)生在課堂上體味簡諧運動的正弦規(guī)律.
高中物理探究洛倫茲力時,教師利用電子感應(yīng)圈產(chǎn)生的10~100 kV高壓使陰極射線管的陰極發(fā)出電子流.其實,電子感應(yīng)圈是一種可調(diào)的多用途高壓電源,除了上述作用以外,還可用做低氣壓放電管、光譜管、倫琴射線管等的高壓電源,也可演示空氣中的火花放電現(xiàn)象、固液體介質(zhì)的電擊穿現(xiàn)象和在空氣中取得臭氧的用途.若把感應(yīng)圈的兩極分別接觸靠近且相互絕緣的兩導(dǎo)體就有可能發(fā)生火花放電,而如果把高一時使用過的電火花式打點計時器配件——墨粉紙盤作為導(dǎo)體之一的話,利用放電瞬間石墨受熱打點就可以記錄另一導(dǎo)體的運動軌跡.基于打點計時器的設(shè)計靈感,教師可采用相似的裝置自制彈簧振子的振動圖像描繪器.
如圖1所示,在一個具備簡易氣墊導(dǎo)軌裝置的水平彈簧振子中央固定一根細(xì)長銅絲,桌上放置一塊透明的有機玻璃,有機玻璃上表面有序地粘連一列墨粉紙盤,墨粉紙盤上方放置一張長條形的白紙.電子感應(yīng)圈不接放電針,通電后把產(chǎn)生的高壓用導(dǎo)線加在銅絲和墨粉紙盤之間,振子左右振動時,帶動細(xì)銅絲同步振動,銅絲和墨粉紙盤通過中間的絕緣體白紙不斷火花放電,在白紙上不斷打點.若事先在白紙中央畫一條直線OO′使它平行于紙的長邊,作為圖像的橫軸,操作者只要沿OO′的方向勻速地拖動白紙,振子的x-t圖就完整地記錄下來了,如圖2所示.
圖1 自制振動圖像描繪器
圖2 振子x-t圖
這種自制振動圖像描繪器與教材上推薦的學(xué)生分組實驗——合作模擬振動曲線(圖3)類似卻更加精確和形象,能讓學(xué)生身臨其境振動圖像的產(chǎn)生過程,充分體驗真正彈簧振子的位移隨時間的變化情況.
圖3 教材上的合作模擬振動曲線
課堂上,結(jié)合演示實驗,可讓學(xué)生邊觀察邊思考.
問題一:白紙上OO′軸的坐標(biāo)代表什么物理量?
問題二:若勻速拖動白紙的速度v已知,在OO′軸上應(yīng)該怎樣標(biāo)出時間的坐標(biāo)刻度?
問題三:這個圖像是不是彈簧振子的運動軌跡?如果不是,那彈簧振子的軌跡是怎樣的?
問題一和問題二是關(guān)于怎樣把橫軸由水平移動位移軸轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間軸的思維過渡,問題三是明確描點成圖的結(jié)果是位移時間關(guān)系而不是單純的軌跡情況.只要把這3個問題解決好,學(xué)生對彈簧振子的位移-時間圖像的來龍去脈和根源本質(zhì)理解透徹,通過觀察和分析得到振子在每個時刻的位移和速度特征,就能順利構(gòu)建出簡諧運動的運動學(xué)知識體系.
通過電子感應(yīng)圈發(fā)生的火花放電現(xiàn)象實現(xiàn)趣味性的實驗演示,巧妙地描繪出彈簧振子的位移-時間圖像,使簡諧運動的概念變虛為實,同時也能有效地激發(fā)學(xué)生的好奇心理,喚起學(xué)生思索的欲望,培養(yǎng)堅持真理、勇于創(chuàng)新和實事求是的科學(xué)態(tài)度.
利用彈簧振子頻閃照片也能得到精確的位移-時間曲線.只要選擇若干個位置,用刻度尺量出各個位置的橫縱坐標(biāo),代入根據(jù)圖像寫出的正弦函數(shù)表達式進行檢驗;也能測量小球在各個位置的橫縱坐標(biāo),把測量值輸入計算機,用軟件作出這條曲線,再用正弦函數(shù)曲線擬合.這兩種方法雖然簡單易懂,但是在課堂上操作恐怕會受時間因素的影響.因此,這里介紹一種簡潔、直觀、快捷的方法——用ppt擬合正弦曲線.
如圖4所示,事先拍攝好彈簧振子運動兩個以上周期的視頻,并且把視頻分解成幀,然后打開一張空白的ppt,把這些相隔相等時間的照片插入同一張幻燈片中,照片會按拍攝時間的先后一幀一幀地自動向右平鋪,接著全選所有照片并左對齊,便能得到鋼球在不同時刻的位置,每張照片的上下排列間距默認(rèn)值相同,相當(dāng)于把經(jīng)過相等時間間隔的鋼球位置完整記錄下來了.
圖4 擬合正弦曲線
這種方法的高明之處在于巧妙運用Microsoft powerpoint中圖片插入的次序規(guī)律和對齊處理的特點,操作便捷,分秒之間彈簧振子的振動圖像一目了然,輕松引領(lǐng)學(xué)生進入直觀、形象、模擬的場景,使學(xué)生猶如身臨其境,探究積極性和學(xué)習(xí)興趣倍增.當(dāng)然,在操作過程中也有一些注意事項:比如說拍視頻的過程中,最好采用豎直的彈簧振子,振動幅度不能太大,不然平衡位置處的速度太大,相應(yīng)的那幀照片中振子就是一條模糊的線,質(zhì)點模型不夠直觀,振動幅度也不能太小,不然正弦規(guī)律不明朗;視頻的取景最好讓彈簧振子的振動軌跡靠近視頻框的邊緣,使照片左對齊的時候能讓彈簧振子顯露出來,清晰精確地描繪出振動曲線.
當(dāng)然,作為自然界中最簡單的變加速過程——簡諧運動,它的運動規(guī)律中展示出來的正弦美和對稱美不僅僅可以通過上述兩種方法實現(xiàn),物理課堂還能變幻出更豐富更多元的創(chuàng)新實驗手法.物理教師要針對高中物理教材和學(xué)生現(xiàn)有狀況充分分析,引導(dǎo)學(xué)生去理解規(guī)律、探究本源,從而構(gòu)建具有個性化的物理知識體系.具體措施可以考慮結(jié)合現(xiàn)代多媒體技術(shù)和數(shù)字化工具改進已有的傳統(tǒng)實驗,設(shè)置合理的教學(xué)層次,實施適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法,降低思維和理解的“臺階”,保護學(xué)生學(xué)習(xí)物理的動力和興趣,幫助學(xué)生樹立起學(xué)好物理的信心.
參 考 文 獻
1 胡紀(jì)明.“簡諧運動”教學(xué)設(shè)計.中學(xué)物理教學(xué)參考,2010,39(3):20~22