丁 松

(江蘇省清江中學(xué),江蘇 淮安 223001)

“實驗:驗證機(jī)械能守恒定律”是高中物理人教版必修2第7章第9節(jié)的內(nèi)容.首先,機(jī)械能守恒定律是高中物理第一個守恒量,對今后學(xué)習(xí)能量守恒、電荷守恒等守恒定律打下基礎(chǔ).其次,“實驗:驗證機(jī)械能守恒定律”是普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)生必做實驗之一.其重要性,從2016年江蘇高考第11題(單擺驗證機(jī)械能守恒)可見一斑;還有2010、2015、2017年涉及打點計時器,2016年涉及光電門等實驗器材都是本節(jié)課所用到的重要器材.高中物理核心素養(yǎng)[1]要求學(xué)生形成正確的“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”.這些核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力.本節(jié)課如果能成功、巧妙地構(gòu)思,那么驗證機(jī)械能守恒將可以從多方面促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.例如:“物理觀念“方面——了解機(jī)械能守恒是自然界中能量守恒中的一個特例,能用能量等概念來解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題;“科學(xué)探究”方面——明白科學(xué)探究的基本步驟,基于前面的機(jī)械能守恒學(xué)習(xí),要大膽質(zhì)疑機(jī)械能守恒是否真的恒成立,要會設(shè)計實驗與制定方案,獲取和處理信息,來驗證自己的猜想,最后與班級其他同學(xué)進(jìn)行交流評估;“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”方面——實驗要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度,對待科學(xué)不可馬虎了事,對待實驗誤差要找出原因,多分析,培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度.基于此,筆者從核心素養(yǎng)的框架體系和學(xué)生的實際情況出發(fā),精心構(gòu)思了“實驗:驗證機(jī)械能守恒定律”這節(jié)市級優(yōu)課,得到了同行們的認(rèn)可,達(dá)到了很好的教學(xué)效果.現(xiàn)以此文章簡述自己的一些創(chuàng)新之處.

1 實驗方案的創(chuàng)新

課本上只給了一個實驗方案——驗證自由落體過程中的機(jī)械能守恒.本節(jié)課自己巧妙地設(shè)計了3個實驗: (1) 驗證單個物體的機(jī)械能守恒; (2) 驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒; (3) 驗證斜拋運動中的機(jī)械能守恒.

1.1 單個物體機(jī)械能守恒(課本實驗)

圖1 自由落體運動

如圖1所示,這個實驗是課本中的實驗,非常熟悉的實驗器材,可以很方便的驗證機(jī)械能守恒.

優(yōu)點:實驗器材易獲取,實驗原理簡單,實驗操作容易.誤差分析相對簡單.

缺點:實驗器材熟悉,實驗可能與之前的自由落體實驗重復(fù),學(xué)生沒有眼前一亮的學(xué)習(xí)熱情.系統(tǒng)機(jī)械能守恒沒有辦法得到驗證.還有打點計時器測量速度比光電門誤差大.

圖2

1.2 系統(tǒng)機(jī)械能守恒實驗(光電門和氣墊導(dǎo)軌)

如圖3所示，這個實驗與課本的實驗比較,有一定的難度.但絕不是學(xué)生能力之外的實驗.基本的實驗器材在“探究牛頓第二定律”實驗時已經(jīng)見過,系統(tǒng)機(jī)械能守恒的原理,在本章的第8節(jié)“機(jī)械能守恒”中也都講過.所以這個實驗較好的體現(xiàn)學(xué)生的科學(xué)探究能力和知識遷移能力.

圖3

優(yōu)點:光電門和氣墊導(dǎo)軌是高中必須掌握的實驗器材,但是由于設(shè)備精密,準(zhǔn)備繁雜所以學(xué)生動手操作的少.本節(jié)課學(xué)生得以操作,親自用光電門和氣墊導(dǎo)軌做實驗,學(xué)習(xí)熱情高漲.光電門測量速度比打點計時器要準(zhǔn)確;本實驗可以驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

缺點:操作比較繁雜,實驗器材調(diào)試時間長,實驗器材學(xué)校物理實驗室準(zhǔn)備不足.這樣要求上課之前必須要給學(xué)生先培訓(xùn)這一整套實驗器材的使用注意點.

操作注意點:調(diào)節(jié)水平時,等到氣墊導(dǎo)軌通氣穩(wěn)定后,在導(dǎo)軌中部相隔50～60 cm處放置兩個光電門,調(diào)節(jié)底腳螺絲,使滑塊上擋光板通過兩個光電門的時間幾乎相等.具體步驟如下:

粗調(diào):接通氣源,將裝有遮光片的滑塊輕放于導(dǎo)軌上,調(diào)節(jié)單腳螺絲,使滑塊在導(dǎo)軌上各處基本上均能保持靜止.

細(xì)調(diào):使滑塊以某一速度運動,測量滑塊先后經(jīng)過兩光電門時的遮光時間t1和t2,仔細(xì)調(diào)節(jié)單腳螺絲,使t1與t2相差在5%以內(nèi)即可,就可以認(rèn)為導(dǎo)軌已基本水平.

1.3 斜拋運動中驗證機(jī)械能守恒(計算機(jī)軟件在物理學(xué)中的應(yīng)用)

這個實驗是用實驗室的器材無法完成的,因為斜拋的瞬時速度,某一段時間的高度差都無法及時測量.由此筆者想到是否可以用攝像機(jī)把斜拋運動中的每一個時刻的畫面定格,然后一一分析每一張照片呢?這個想法完全可以用計算機(jī)編輯好的軟件來完成.

優(yōu)點:斜拋運動中的機(jī)械能守恒我們不好用實驗室的實驗器材來實驗驗證.我們可以借助計算機(jī)軟件來模擬生活的斜拋運動,然后根據(jù)軟件處理,得到相關(guān)數(shù)據(jù),從而得到機(jī)械能守恒的結(jié)論.易操作.

缺點:必須要有過硬的編程本領(lǐng),還要靈活的應(yīng)用電腦中的相關(guān)技能.

操作注意點:

(1) 讓質(zhì)量大,體積小,即密度大一點的物體從教室的某一固定點做斜上拋運動,用手機(jī)攝像功能記錄這一運動過程(如圖4).例如一個室外實驗,如圖5中實心球的固定高度為2.75 m.

圖4

圖5

(2) 然后把這一段視頻導(dǎo)入軟件中,軟件會模擬出與實際斜率運動相類似的一段數(shù)學(xué)曲線.

模擬動畫調(diào)整之前:數(shù)學(xué)模擬曲線與實際視頻運動曲線沒有吻合，如圖6.

模擬動畫調(diào)整之后:數(shù)學(xué)模擬曲線與實際視頻運動曲線高度吻合，如圖7.

圖6

圖7

(3) 根據(jù)此曲線即可求出曲線上每一點速度v和相對于拋出點的豎直位移h，如圖8.

說明:瞬時速度v是通過軟件程序中的微積分公式求出;高度差h是通過模擬曲線與實際高度的比例關(guān)系求出的.此時就可以把得到的數(shù)據(jù)代入機(jī)械能守恒定律的公式,檢驗是否守恒.

圖8

(4) 實驗誤差分析:數(shù)學(xué)的模擬曲線與實際斜拋的運動曲線無法完全重合.所以在模擬運動過程中,總會有點誤差.例如,同一個斜拋運動,經(jīng)過幾次的模擬.有的初速度v0=4.599 m/s,有的是4.679 m/s.

2 實驗數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新

本節(jié)課重點是方案的設(shè)計以及實驗器材的操作,這種創(chuàng)造性的勞動交給學(xué)生,而冷冰冰的數(shù)字計算的機(jī)械操作交給平板電腦.表1-表3中物理量單位都為國際單位；表1和表3中的重力勢能變化量和動能變化量的單位都為表格數(shù)字乘以質(zhì)量m.

第1組:自由落體驗證機(jī)械能守恒實驗數(shù)據(jù),見表1.

表1 驗證自由落體機(jī)械能守恒數(shù)據(jù)

第2組:氣墊導(dǎo)軌和光電門驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒數(shù)據(jù),見表2.

表2 驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒數(shù)據(jù)

第3組:驗證斜拋運動中的機(jī)械能守恒數(shù)據(jù),見表3.

表3 驗證斜上拋機(jī)械能守恒數(shù)據(jù)

用平板電腦來處理實驗數(shù)據(jù)如圖9所示.

圖9

3 教學(xué)過程設(shè)計創(chuàng)新

3.1 課前準(zhǔn)備

(1) 班級50人,分為A、B兩個大組.每一個大組分為5個小組,每個小組安排一位物理小教師——主要帶領(lǐng)同組成員,順利快速的開展并且完成實驗.

(2) 由于實驗器材每個學(xué)生掌握程度不一樣,所以在全班學(xué)生進(jìn)實驗室之前,要對物理小教師進(jìn)行實驗器材的簡單培訓(xùn),尤其是氣墊導(dǎo)軌的使用,光電門的使用.平板電腦中,怎么用WPS中的表格對實驗數(shù)據(jù)的處理.

(3) 讓全班學(xué)生課前完成預(yù)習(xí)學(xué)案.主要是單個物體機(jī)械能守恒和系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

完成預(yù)習(xí)學(xué)案:

(1) 判斷自由落體機(jī)械能是否守恒?為什么?能用實驗驗證嗎?(只有重力做功)

(2) 判斷如圖10所示的系統(tǒng)機(jī)械能是否守恒?為什么?一切摩擦不計.(是否有其他能量參與轉(zhuǎn)化)

圖10 連接體模型

(3) 還有什么模型是機(jī)械能守恒呢?

3.2 課堂時間

(1) 復(fù)習(xí)導(dǎo)入,詢問預(yù)習(xí)學(xué)案中的機(jī)械能是不是真的守恒呢?下面就讓我們用實驗來驗證一下.A組學(xué)生主要設(shè)計驗證自由落體機(jī)械能守恒的實驗方案;B組學(xué)生主要設(shè)計驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒的實驗方案.(3 min討論時間,5 min展示時間,2 min教師引導(dǎo)時間)

(2) 學(xué)生做實驗、實驗數(shù)據(jù)處理、選擇兩組學(xué)生的數(shù)據(jù)上臺展示,并且得出初步結(jié)論.(10 min實驗,5 min數(shù)據(jù)處理,10 min上臺展示,簡單分析誤差的原因)

(3) 教師和學(xué)生合作完成電腦演示實驗.學(xué)生讓蘋果做斜拋運動,教師錄視頻,并且將其導(dǎo)入軟件,模擬蘋果運動,得到蘋果的運動數(shù)據(jù).選擇3組數(shù)據(jù),請學(xué)生協(xié)助教師記錄在教師的平板電腦WPS的表格中.最后得出結(jié)論.(8 min)

(4) 最后作業(yè):對這3個實驗方案進(jìn)行評價分析,找出誤差的原因,并且能提出改進(jìn)的方案.完成一份實驗報告.

3.3 具體課堂師生對白

師:上節(jié)課我們學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒.如PPT所示的兩幅圖中的A物體機(jī)械能守恒嗎?

生:圖11中的自由落體A機(jī)械能守恒.圖12中的連接體模型中的A單個物體機(jī)械能不守恒,但是A和B組成的一個系統(tǒng)機(jī)械能守恒.

圖11 自由落體 圖12 連接體模型

師:能回答一下怎么判斷機(jī)械能守恒的呢?

生:討論并且回答,自由落體中只有重力做功;連接體接觸面光滑只有機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化,無其他形式能量參與轉(zhuǎn)化,所以機(jī)械能守恒.

師:這兩種情況下機(jī)械能守恒，同學(xué)們能用機(jī)械能守恒來驗證一下嗎?請A組同學(xué)設(shè)計實驗方案來驗證圖1的機(jī)械能守恒.B組同學(xué)設(shè)計實驗方案來驗證圖2的機(jī)械能守恒.

……

師:請一位同學(xué)和老師一起完成一個驗證斜拋運動中機(jī)械能守恒的實驗.有誰愿意的?

生:我……我……

師:我們請薛子涵同學(xué)和老師一起完成這個實驗.薛子涵你在這個固定的高度把實心球拋出去,讓他做斜上拋運動.我來用攝像機(jī)記錄這一運動過程.

……

4 實驗教學(xué)評價與總結(jié)

物理學(xué)基于觀察和實驗,建構(gòu)物理模型,應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具,通過科學(xué)推理和論證,形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系.本節(jié)課實驗課教學(xué)注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí),提倡教學(xué)方式多樣化.通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學(xué)習(xí)環(huán)境,培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力.通過多樣化的教學(xué)方式,利用現(xiàn)代信息技術(shù),引導(dǎo)學(xué)生理解物理本質(zhì),整體認(rèn)識自然,形成科學(xué)思維習(xí)慣,增強(qiáng)科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力.