蔣汶洋

摘 要：利用生活素材自制物理實驗教具在物理實驗教學(xué)中具有重要的意義。利用平板電腦、米尺、窗簾滑軌等簡單易得的生活常見品，設(shè)計了一種操作性強、學(xué)生參與度高的實驗方案，并將其應(yīng)用于“探究碰撞中的不變量”的實驗教學(xué)中。

關(guān)鍵詞：物理實驗；平板電腦；自制教具

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2019）2-0071-2

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。通過實驗探究總結(jié)出物理規(guī)律是物理教學(xué)中常用的教學(xué)方式。但在實際的物理實驗教學(xué)中，由于實驗設(shè)備數(shù)量的限制和操作的難度，部分教師僅在講臺上進(jìn)行實驗演示，只讓學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，使得學(xué)生沒有動手實驗的機(jī)會[1]。利用身邊的生活素材制作物理實驗器具則是解決這一問題的有效途徑。利用自制教具進(jìn)行實驗教學(xué)，不僅可以提高學(xué)生的參與度，還體現(xiàn)了實驗過程的自創(chuàng)性、趣味性、簡易性和生活化[2]。本文以“探究碰撞中的不變量”為例，利用平板電腦、米尺、窗簾滑軌等簡單易得的生活常見品，設(shè)計了一種新的實驗方案，并用于教學(xué)中。

1 教學(xué)設(shè)計思路

“探究碰撞中的不變量”是高中物理課的一節(jié)探究性實驗課，其實驗方法比較開放，教材上已為學(xué)生提供了三種實驗設(shè)計。但由于很多學(xué)校實驗器材不完備，學(xué)生無法利用課本的設(shè)計進(jìn)行實驗探究。考慮到本節(jié)內(nèi)容較多，實驗的設(shè)計較為開放，并且學(xué)生在實驗技能上已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)。因此，筆者引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的簡易工具設(shè)計測量方案，并鼓勵學(xué)生動手實驗。這樣的實驗教學(xué)設(shè)計，既激發(fā)了學(xué)生的探究熱情，也培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力。最后，再為學(xué)生介紹現(xiàn)代化器材的測量方案，以彌補傳統(tǒng)實驗的不足，拓寬學(xué)生的視野。

2 實驗教學(xué)設(shè)計過程

2.1 實驗教學(xué)引入

首先，在進(jìn)行實驗前先播放一段花式臺球的視頻，展示碰撞的美感以吸引學(xué)生的注意力。隨后再展示幾張生活中碰撞現(xiàn)象的圖片，讓學(xué)生注意到碰撞是日常生活中常見的現(xiàn)象，是非常值得我們?nèi)パ芯康默F(xiàn)象。其次，研究方法都是由簡單到復(fù)雜，本節(jié)課只研究最簡單的情況，即兩物體在碰撞前后都沿一條直線運動，一般將這種情況稱作一維碰撞。最后，具體要研究碰撞的什么問題呢？科學(xué)家們在研究自然規(guī)律時總是希望能夠在多變的世界中找出某些量是不變的、守恒的。例如，物理中的機(jī)械能守恒、能量守恒，化學(xué)中的質(zhì)量守恒、電荷數(shù)守恒等。在物體碰撞前后，會不會也存在著什么量是不變的呢？

以上環(huán)節(jié)的引入明確了本節(jié)課探究的問題，即物體在進(jìn)行一維碰撞前后，會不會存在什么量是不變的呢？接下來就要引導(dǎo)學(xué)生對問題提出假設(shè)了。本文采用了兩個小實驗引出學(xué)生的猜想，具體步驟如下：

先呈現(xiàn)實驗一，將兩個相同質(zhì)量的鋼球懸掛起來，一個小球靜止，拉起另一個小球并釋放，兩個小球相碰后，被拉起的小球靜止了，但被碰撞的小球運動起來了。再呈現(xiàn)實驗二，將實驗一中的其中一個鋼球換成乒乓球，再次拉起鋼球并釋放，當(dāng)鋼球與乒乓球發(fā)生碰撞后，乒乓球獲得了較大的速度，但鋼球也沒有停下來。在實驗一中，通過碰撞兩物體的速度發(fā)生了變化，此時引導(dǎo)學(xué)生猜想這個不變量應(yīng)該和物體的速度有關(guān)。在實驗二中，學(xué)生可以觀察到乒乓球獲得了較大的速度，而鋼球并沒有停下來，這可以幫助學(xué)生猜想碰撞所產(chǎn)生的現(xiàn)象不僅和速度有關(guān)，還和物體的質(zhì)量有關(guān)。

2.2 實驗設(shè)計

根據(jù)學(xué)生的猜想，碰撞前后不變的量與物體的速度和質(zhì)量有關(guān)系。進(jìn)而提出問題，如何測量物體的質(zhì)量和速度呢？學(xué)生都會想到用天平測量質(zhì)量。但對速度的測量方法卻有多種觀點，如打點計時器、光電門等。教師提問，如果沒有這些測速專用的實驗器材，能否利用身邊的物品測出速度呢？同時通過PPT播放動畫，以呈現(xiàn)新的測速方式：用已設(shè)定好拍攝時間間隔的手機(jī)連續(xù)拍攝人行走的照片，根據(jù)照片拍攝間隔的時間和照片對應(yīng)的位置變化，就可以計算出人行走的平均速度。并啟發(fā)學(xué)生用平板電腦拍攝的方式記錄物體碰撞前后的速度。

整個實驗器材有：金屬槽、刻度尺、平板電腦、橡皮泥、小鋼珠（16.88 g）、玻璃珠（5.66 g）。其中，金屬槽用于保證物體的一維碰撞；刻度尺用于記錄小球的實際位置；平板電腦用于拍照以記錄小球的實際位移。組裝后的實驗裝置如圖1所示。接下來，學(xué)生就可以利用實驗裝置進(jìn)行小組實驗了。在實驗過程中，需要強調(diào)用橡皮泥將軌道調(diào)平，若出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，應(yīng)將速度記為負(fù)值，讀數(shù)要盡量準(zhǔn)確，可以估讀。在處理實驗結(jié)果時，需強調(diào)應(yīng)選擇接近碰撞瞬間的照片。

將兩組學(xué)生測得的實驗數(shù)據(jù)輸入Excel表格中，通過電腦計算可以發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)中，碰撞前后質(zhì)量和速度的乘積之和是很接近的。這讓我們有理由相信在碰撞前后存在著的不變量就是mv。但也可以看出，該值在碰撞前后并不是嚴(yán)格相等的，因為實驗中還存在著誤差。誤差主要來源于軌道的摩擦阻力和讀數(shù)的不準(zhǔn)確。想要減小這些誤差可以采用實驗室中常見的現(xiàn)代化工具——光電門和氣墊導(dǎo)軌。氣墊導(dǎo)軌可以減小軌道的摩擦阻力，而光電門可以使所測速度更加精確。最后，用光電門和氣墊導(dǎo)軌實驗裝置（如圖2所示）再次實驗，驗證實驗結(jié)論。通過以上的實驗，就可以總結(jié)出在一維碰撞中，碰撞前后的不變量是質(zhì)量與速度的乘積之和。但是，這個結(jié)論是否在其他形式的碰撞中也是成立的呢？這個問題可用以啟發(fā)學(xué)生在課后進(jìn)行思考并探究。

3 實驗教學(xué)反思

通過以上的實驗教學(xué)過程可以發(fā)現(xiàn)，整個實驗教學(xué)過程包含兩個實驗：一是學(xué)生利用平板電腦、窗簾滑槽等實驗器材的動手實驗；二是教師利用氣墊導(dǎo)軌和光電門進(jìn)行的演示實驗。前者利用生活中隨處可見的物品搭建了一個簡單的實驗裝置，讓“高深”的物理實驗變得生活化，并利用青少年喜愛的平板電腦調(diào)動了學(xué)生的參與熱情，取得了非常不錯的實驗效果。后者用先進(jìn)的儀器讓學(xué)生開拓視野，以彌補傳統(tǒng)實驗的不足。

物理源于生活，若學(xué)生在遇到某些物理問題時，都能馬上拿起身邊的物件兒做個簡單的物理實驗，那我們的實驗教學(xué)一定能取得更好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張偉，郭玉英.論“非常規(guī)”物理實驗的教學(xué)地位[J].課程·教材·教法，2007（12）：51-56.

[2]王志輝.淺談高中物理實驗的生活化[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017，46（14）：27-28.

（欄目編輯 張正嚴(yán)）