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        例談實驗在物理習(xí)題教學(xué)中的應(yīng)用

        2019-11-13 08:50:52
        物理之友 2019年9期
        關(guān)鍵詞:砝碼紙板小球

        (江蘇省天一中學(xué),江蘇 無錫 214101)

        閱卷時,老師經(jīng)常會有這樣的抱怨:“和這道相似的題目前前后后講了好多遍了,怎么一考還是錯呢?”很多情況下,教師講評習(xí)題時學(xué)生往往處于被動接受的地位,學(xué)生對老師的講解貌似理解和贊同,覺得應(yīng)該是這樣的,但對問題缺乏更深的理解,沒有融會貫通,從而使得教學(xué)效果大打折扣,等到間隔時間稍長或題目情境變化時,學(xué)生又會重復(fù)犯錯。若將實驗和物理習(xí)題教學(xué)有機結(jié)合,相互促進、補充,在實驗情境下解決抽象的物理習(xí)題,能有效幫助學(xué)生理解物理現(xiàn)象和物理概念,掌握解題方法,形成良好的思維習(xí)慣,提升解題能力。

        1 通過對比類驗證實驗,鞏固和深化易被錯用的物理概念和規(guī)律

        圖1

        例1(2011年浙江高考卷):如圖1所示,鐵芯上繞有n1=800匝和n2=200匝的兩個線圈,輸入端接入電源u=51sin 314tV,則交流電壓表的讀數(shù)可能是( )。

        A.2.0V

        B. 9.0V

        C. 12.7V

        D. 144.0V

        實驗驗證:用可拆變式壓器分別測量變壓器在鐵芯閉合和不閉合時的輸出電壓,進行對比實驗,當(dāng)鐵芯沒有閉合時,電壓表示數(shù)比鐵芯形成閉合回路時的測量值要小很多,所以應(yīng)選A。用直觀的實驗來驗證非閉合鐵芯上的漏磁現(xiàn)象,利用視覺沖擊使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生探知的欲望,避免空泛的說教,改善了教學(xué)效果,并有效地體現(xiàn)了物理學(xué)科的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。

        圖2

        例2:一理想變壓器處于垂直紙面向里的勻強磁場中,初級、次級線圈的匝數(shù)之比為n1∶n2=4∶1,電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,當(dāng)導(dǎo)體棒l向左做勻速運動時,A1表的讀數(shù)為12mA,則A2表的示數(shù)應(yīng)為( )。

        A. 3mA B. 0

        C. 48mA D. 與負載R的值有關(guān)

        錯因分析:與例1不同的是,由于此題注明是理想變壓器,不少學(xué)生便放松警惕,直接套用理想變壓器的變流公式求解,錯選C。

        實驗驗證:為提高實驗的可視性和可操作性,可選用學(xué)生電源代替導(dǎo)體棒電源,用現(xiàn)象更直觀明顯的小燈泡替代外電阻。做對比實驗時,選擇學(xué)生電源的“交流”檔,由于實驗室用變壓器導(dǎo)線電阻較為明顯,會對小燈泡的發(fā)光現(xiàn)象造成較大的影響,為獲得明顯的實驗現(xiàn)象,變壓器可接為升壓變壓器,并逐漸增加學(xué)生電源的輸出電壓,使小燈泡接近正常發(fā)光;實驗時應(yīng)保持輸出電壓不變,將電源旋至“穩(wěn)壓”檔,結(jié)果顯示:小燈泡不發(fā)光,電流表指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。實驗應(yīng)注意:學(xué)生電源的“直流”檔的輸出電流僅僅是方向不變而大小會改變,仍能產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,所以必須接“穩(wěn)壓”檔,在實驗中,為防止損壞學(xué)生電源和變壓器,演示后應(yīng)及時斷開電源。

        對比實驗為學(xué)生提供了更為直觀的感官體驗,利用實驗中產(chǎn)生的截然不同的現(xiàn)象,使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突,進而幫助學(xué)生激發(fā)探究興趣、促進深度思考,使學(xué)生對理想變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和理想化條件等知識有更為全面透徹的理解,正確應(yīng)用公式解決物理問題。另一方面,從記憶效果的角度來講,利用實驗的感官刺激帶來的形象記憶和深度理解,相比機械的死記硬背,教學(xué)效果要好很多。

        2 通過情境類演示實驗,發(fā)掘和利用易被忽視的隱含條件

        圖3

        例3:如圖3所示,地面固定兩根豎直桿,一根輕系在桿上的A、B兩點,一件衣服通過光滑鉤子掛在繩上,不計所有摩擦,衣服穩(wěn)定在繩上的O點,若A端繩子位置保持不變,且不改變繩子的總長的條件下,將B端沿桿向下平移一小段距離,當(dāng)衣服再次穩(wěn)定后,與原來相比,繩中張力的變化情況是( )。

        A. 變大 B. 變小

        C. 不變 D. 條件不足,無法判斷

        錯因分析:本題的難點是解題時學(xué)生感到無法獲得清晰的物理圖景,缺乏足夠的條件支撐,找不到問題的突破口,導(dǎo)致學(xué)生只能亂選。

        實驗演示:當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時,在OA后放一把直尺,一邊恰好與OA線對齊;當(dāng)B點下移時,引導(dǎo)學(xué)生觀察OA段繩與直尺邊的變化關(guān)系,從而發(fā)現(xiàn)當(dāng)B端下移時,OA段繩子與直尺邊緣始終重合,即繩OA與豎直方向的夾角是定值,由共點力平衡方程可知,繩中的張力是不變的,應(yīng)選C。

        圖4

        例4:如圖4所示,在觸發(fā)器的正下方,向上拋出一小球,初速度為v,小球恰好能擊中觸發(fā)器。若小球分別沿A、B、C、D四個不同的光滑軌道仍以速率v拋出小球.則小球可能能夠擊中觸發(fā)器的是( )。

        圖5

        實驗演示:為增強實驗的可操作性,控制小球的初速度,原題可等效設(shè)計為如圖5所示的實驗,只需驗證小球釋放后是否能夠回到原釋放高度。將小球分別從c、b、a位置釋放,不計摩擦阻力的情況下,c位置釋放的小球幾乎能到達等高處,b位置釋放的小球在到達圓周軌道的最高點前早已脫離圓軌道,a位置釋放的小球能順利通過圓周軌道的最高點,并從右邊軌道飛出后做斜拋運動,到達的最大高度明顯低于原釋放位置a。在實驗中,應(yīng)重點引導(dǎo)學(xué)生觀察小球通過圓軌最高點和斜拋最高點時的運動情況,并分析動能和重力勢能的轉(zhuǎn)化關(guān)系,得到答案。

        演示實驗的作用是將日常生活難以觀察到的物理現(xiàn)象,或者被視為理所當(dāng)然而未引起注意的物理現(xiàn)象凸顯出來。[1]演示實驗可以幫助學(xué)生從實驗現(xiàn)象或?qū)嶒灲Y(jié)果中反思原因,暴露物理現(xiàn)象中的隱含條件,為解決問題鋪設(shè)“臺階”,降低思維難度,使問題更容易解決。在此過程中,演示實驗還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和信息捕獲能力,提高其科學(xué)探究能力。

        3 通過體驗類探究實驗,重現(xiàn)和細化易被遺漏的物理過程

        圖6

        錯因分析:解答該題時很多學(xué)生得到的錯誤答案是16cm,原因是忽視了粒子的受力方向和運動方向的關(guān)系,把兩軌跡圓與板相切時的情況理解為板上被粒子打中的最長區(qū)域長度P1P2(如圖7)。

        圖7

        實驗探究:此實驗可用鐵環(huán)、紙板和硬幣等圓形實物進行模擬探究,使之繞某一固定點旋轉(zhuǎn),觀察圓周與ab板的交點的變化情況。此外,還可用圓尺畫圖探究,實驗的關(guān)鍵是控制好距離l與半徑R的比例關(guān)系,關(guān)注粒子的出射方向和受力方向,粒子運動時形成的是“順時圓”還是“逆時圓”,明確打至板ab前的是哪段弧,并在弧上標(biāo)明箭頭,尋找到兩個臨界情況即可(如圖8)。

        圖8

        例6(2013年江蘇高考卷):如圖9所示,砝碼的質(zhì)量為m1,紙板的質(zhì)量為m2,紙板和砝碼,紙板和桌面,砝碼和桌面間的動摩擦因數(shù)均為μ,重力加速度為g,現(xiàn)在紙板上施加一恒力,將紙板從砝碼下抽離。

        圖9

        (1) 要使紙板和砝碼產(chǎn)生相對運動,求所需的最小拉力F;

        (2) 本實驗中,m1=0.5kg,m2=0.1kg,μ=0.2,砝碼與紙板左端的距離d=0.1m,取g=10m/s2。若砝碼的運動距離超過l=0.002m,就能被人眼感知。為產(chǎn)生砝碼未動的視覺效果,紙板所需的最小拉力是多少?

        錯因分析:關(guān)于問題(1),不少學(xué)生給出的結(jié)果是F=f=μ(2m1+m2)g,原因是將紙板相對桌面發(fā)生相對運動時的受力情況與紙板和砝碼發(fā)生相對運動時的受力情況相混淆,誤將紙板和桌面發(fā)生運動作為砝碼和紙板發(fā)生相對運動的條件;在問題(2)的解答中,很多學(xué)生把砝碼移動的距離l簡單理解為砝碼在加速過程中的位移x1,卻遺漏了砝碼離開紙板后由于慣性,將繼續(xù)在桌面做減速運動而向前通過的位移x2。

        實驗探究:本題所需的實驗器材僅為一把直尺(代替紙板)和一塊橡皮(代替砝碼),即使在高考考場上,依舊不妨礙學(xué)生進行即時的實驗探究。若紙板被緩慢地拉動時,砝碼相對紙板靜止一起向前運動;當(dāng)繼續(xù)增大拉力時,砝碼和紙板可能相對靜止,一起加速運動;進一步增大拉力時,砝碼和紙板可能出現(xiàn)相對運動,當(dāng)砝碼脫離紙板時,已獲得了一定速度,將在桌面上繼續(xù)做勻減速運動;當(dāng)紙板所受拉力很大時,紙板獲得的加速度很大,相對砝碼被迅速抽出,砝碼的加速時間約為零,獲得的速度就趨近于零,故砝碼的運動幾乎無法被發(fā)現(xiàn)。

        求解物理問題時,首先應(yīng)進行受力分析,分析并明確研究對象的運動情況,將所涉及的物理過程逐一呈現(xiàn),根據(jù)各個運動過程的特點,找到相應(yīng)的條件,結(jié)合相應(yīng)的物理知識,解決對應(yīng)的物理問題。當(dāng)學(xué)生難以明確物理過程時,探究實驗可以把物理過程直觀、清晰地再現(xiàn)出來,幫助學(xué)生準(zhǔn)確認(rèn)識和分析物理過程,使問題得以簡化和解決。

        可見,當(dāng)學(xué)生對習(xí)題中出現(xiàn)物理現(xiàn)象、隱含條件、物理過程等問題感到不解時,不妨考慮一下利用實驗突破困境,可大大提高教學(xué)效益。

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