倪紅飛

(江蘇省太倉市教師發(fā)展中心，江蘇 太倉 215400)

在機械能守恒定律的教學中,很多教師用“魔罐”實驗作為課題的引入．

將一個普通的罐子放在桌面上,向前一推,會向前滾動,越滾越慢,最后停下．

然后,再用“魔罐”重復這個實驗:將“魔罐” 放在桌面上,用力向前一推,它滾動的速度逐漸變小,當它停止前進后,竟反向運動,神奇地回到出發(fā)點．更神奇的是,如果讓“魔罐”從斜面上滾下,當它停止前進后,竟反向沿斜面滾回出發(fā)點．

為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢?“魔罐”實驗引發(fā)了學生的猜想,揭開了學習機械能守恒定律的序幕．

“魔罐”實驗設(shè)計的成功主要抓住了兩個關(guān)鍵: (1) 滿足了學生的好奇心,激起學習興趣;(2) 對 “魔罐”內(nèi)部結(jié)構(gòu)的猜想,引發(fā)了學生的探究．作為作為機械能轉(zhuǎn)化和守恒的課堂引入,確實起到了很好的效果．

“魔罐”的制作原理如下.

如圖1,“魔罐”是由帶蓋的圓柱形鐵皮罐,橡皮筋、大螺母、細線、鐵釘、錘子組合而成． 在罐底和蓋子上各穿兩個小孔,將橡皮筋穿過小孔,讓橡皮筋在罐中交叉,在交叉點上用線系上一個大螺母(或其他重物)．蓋上蓋子,把橡皮筋兩頭打上結(jié),魔罐就制成了．

圖1

罐子在向前滾動中,利用螺母重量,使橡皮筋絞緊,在這個過程中,罐子的動能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢能．當它停止前進,在返回過程中,橡皮筋的彈性勢能又轉(zhuǎn)化為罐子的動能,罐子會自動地反向運動,回到出發(fā)點．如果橡皮筋的彈性勢能足夠大,桌面又比較光滑,罐子返回過程甚至會遠遠地超過出發(fā)點．橡皮筋的彈性勢能與罐子的動能不斷互相轉(zhuǎn)化,罐子會來回作往復滾動,直到能量消耗完畢．

其實,“魔罐”實驗是一個設(shè)計思想非常巧妙的裝置．由于涉及的問題具有綜合性、真實性、復雜性,要徹底搞清問題的本質(zhì),對學生的科學思維能力提出了極高的要求．學生要具備構(gòu)建模型的意識和能力,解決問題的過程中遇到障礙時,能夠及時改變研究的策略,對于研究結(jié)果的分析,要具有批判性思維的意識,要具有從不同角度思考問題的能力,最終發(fā)現(xiàn)問題背后本質(zhì)性的東西．

對這樣一個實驗,如何進一步挖掘它的素材,讓學生真正“卷入到問題學習”中來,在問題的研究中,促進學生的深度思考,從而更好地體現(xiàn)它的教學價值,引起了筆者的思考．經(jīng)過仔細分析研究,筆者設(shè)計了關(guān)于“魔罐實驗”的深度學習的課題研究,從3個方面進行了了挖掘．

1 制作兩種“魔罐”,完善探究過程

“魔罐”實驗的演示,采用了“黑箱”模型的思想,通過“魔罐”內(nèi)部機械能間轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了神奇的效果．“黑箱”模型的設(shè)計,利用物理現(xiàn)象與日常經(jīng)驗的認知沖突,激發(fā)了學生探究的熱情與興趣．“激趣”的實驗功能在此發(fā)揮了作用．

在揭秘的過程中,更多的是從“魔罐”內(nèi)部的結(jié)構(gòu),從理論上進行分析了“魔罐”內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化的過程.雖然也可行，如果能直接觀察到運動過程中“魔罐”內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化,作為實驗教學本身則更有說服力．

在教學過程中,建議設(shè)計兩種“魔罐”．用封閉金屬罐制成的“黑箱”“魔罐”用于演示實驗,通過“魔罐”內(nèi)部機械能間轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的神奇效果,來激發(fā)學生探究的熱情;用透明的塑料瓶制成的“白箱”模型的“魔罐” 用于觀察機械能間轉(zhuǎn)化的具體過程,從而檢驗原來的猜想．

“白箱”模型的“魔罐”的制作十分方便,可以在課堂上讓各個小組自制一個透明的“魔罐”．“白箱”模型的“魔罐” 制作如圖2.

圖2

(1) 先準備一個直徑為8～10 cm的、帶扣蓋的塑料瓶．在瓶底圓周的一條直徑上,離圓心為2 cm處各打一個小孔,則兩個孔之間的距離為4 cm．瓶蓋上也打同樣的兩個孔．

(2) 用錐子將兩根橡皮筋的兩個頭分別穿入瓶底的兩個小孔．

(3) 將已在瓶內(nèi)的兩根橡皮筋的另兩個頭再穿過瓶蓋的兩個孔,并使橡皮筋在瓶內(nèi)成交叉狀．但此時不要將瓶蓋外的橡皮筋的兩個頭系緊．

(4) 用一段細金屬絲的一端緊緊系住一個50 g的重物,重物的形狀為U型,如圖所示．用金屬絲的另一端將重物系在橡皮筋的中間,盡可能系緊些．

(5) 扣上瓶蓋,拉直橡皮筋,使重物位于瓶子的中部;再將瓶子外邊的橡皮筋的頭系緊．注意系重物的金屬絲不要過長,以免重物碰撞瓶壁．

(6) 一手使瓶子保持水平,另一手轉(zhuǎn)動瓶子,大約轉(zhuǎn)40周．

“魔罐” 制作完畢后,讓各小組重復了演示實驗的過程.

先將瓶子放在水平桌面上并向前推一下,瓶子將自動滾回來;再試著將瓶子推下一個較為平緩的斜面,看看它是否可以自動滾上斜面．

并觀察前后兩個過程,“魔罐”內(nèi)機械能的轉(zhuǎn)化．

這樣,把原來的演示過程與小組活動結(jié)合起來,使探究過程更加豐滿,教學的過程真正變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)問題——提出猜想——研究問題——實驗驗證的完整過程．

2 進行對比實驗,探究問題本質(zhì)

解釋“魔罐”反向運動的奧秘時,大多數(shù)教師僅從能量角度進行分析,對于這樣的解釋,有些學生是不滿意的,仍心存疑問．從牛頓運動定律分析,力是改變物體運動狀態(tài)的原因,罐子內(nèi)部的內(nèi)力是無法改變物體的運動狀態(tài)的,使罐子返回的外力是誰提供的?其產(chǎn)生的機理是什么?

有些教師可能還認為,既然從能量角度已經(jīng)合理地說明了問題,這樣的討論就多此一舉了．但進一步研究發(fā)現(xiàn),這個問題確實擊中了要害．因為橡皮筋中的彈力,對“魔罐”整體而言是內(nèi)力,內(nèi)力無法改變“魔罐”整體運動狀態(tài)．那么,問題的關(guān)鍵在哪里呢?

引導學生從“魔罐”力學結(jié)構(gòu)的分析,去尋找問題的答案．

圖3

當“魔罐”向前滾動時,由于U型重物的重量,使橡皮筋絞緊,在這個過程中,罐子的動能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢能．但是,如果U型重物始終不偏離平衡位置,橡皮筋的形變的彈力無法提供罐子返回所需要的動力．只有當U型重物偏離平衡位置時,U型重物會產(chǎn)生一力矩,如圖3,根據(jù)U型重物與橡皮筋整體的力矩平衡,此時U型重物重力產(chǎn)生的逆時針方向的力矩與罐子對橡皮筋作用的順時針方向的力矩相等．

圖4

根據(jù)作用反作用原理,此時橡皮筋對罐子作用了一個逆時針方向的力矩,如圖4,根據(jù)罐子的力矩平衡,地面會對罐子產(chǎn)生一個向左的摩擦力,這個摩擦力就是使罐子返回的動力．

為了進一步說明問題,讓學生設(shè)計一個對比實驗．

圖5

如圖5,有一小木板代替U型重物．先用小木板使橡皮筋絞緊,再用細線將一小木板一端與罐子內(nèi)壁相連．表面是看,與如圖4結(jié)構(gòu)類似,當罐子放在水平面上時,卻紋絲不動．因為此時橡皮筋對罐子作用了一個逆時針方向的力矩與拉力對罐子作用了一個順時針方向的力矩完全抵消,無法獲得向前的動力．

所以,從力學結(jié)構(gòu)的分析,重物偏離平衡位置時其重力產(chǎn)生的力矩,是“魔罐”獲得向前動力的根本原因．

3 改進實驗設(shè)計,增加實驗效果

圖6

在“魔罐”實驗的演示中,讓罐子在平面上返回,實驗比較容易成功,讓“魔罐”沿斜面滾回的實驗,不容易成功．所以,實驗設(shè)計者強調(diào)“讓它從不太陡的斜面上滾下”．

那么,讓“魔罐”沿斜面滾回的關(guān)鍵在哪里呢?如何改進“魔罐”設(shè)計,增加實驗的成功率?

經(jīng)過研究,讓學生找到了使“魔罐”沿斜面滾回的關(guān)鍵性設(shè)計．

將原來用金屬絲直接系在橡皮筋的中間的重物系在桿子一端,組成一杠桿．隨著橡皮筋不斷絞緊小木板端點不斷提高,使重物產(chǎn)生的力矩不斷增加,當物體G2的重心在斜面與罐子切點的左側(cè),物體重力G2產(chǎn)生的逆時針方向的力矩大于罐子重力G1產(chǎn)生的順時針方向的力矩時,“魔罐”有沿斜面向上滾動的趨勢,兩者力矩差越大,向上滾動的趨勢越明顯,斜面對罐子作用的向上的摩擦力也就越大,當罐子速度為0后,“魔罐”自動返回．杠桿的設(shè)計,增加了G2到轉(zhuǎn)動軸的距離,使G2的重心能夠到達斜面與罐子切點的左側(cè),成為設(shè)計成功的關(guān)鍵性因素．當然,罐子選擇越輕,重物選擇越重,實驗越容易成功．

“魔罐”實驗的研究,引出的思考很有代表性．在平時的教學中,有許多隱藏在習以為常背后的問題,仔細研究,會發(fā)現(xiàn)許多有價值的東西,而這些東西恰恰是學科核心素養(yǎng)的價值所在．