田華

(保定市第二中學(xué) 河北 保定 071000)

1 引言

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究的基本方法與手段，在高中物理教學(xué)中有著重要的作用．目前許多學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況并不樂觀，學(xué)生體會不到實(shí)驗(yàn)的樂趣，往往成為實(shí)驗(yàn)知識被動的接受者．

探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是讓學(xué)生成為探究的主體，讓學(xué)生切身體驗(yàn)類似于科學(xué)家的探究過程，通過探究實(shí)踐，主動地獲取知識、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)規(guī)律，深入培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，這正是物理學(xué)科要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，符合當(dāng)前新課改的要求．探究性教學(xué)模式在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施的具體流程是：提出問題→猜想假設(shè)→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作→分析論證→評估交流．

本文通過具體教學(xué)案例來研究如何在高中物理教學(xué)中有效地開展探究性實(shí)驗(yàn)課．

2 教學(xué)案例分析

本文按照探究性教學(xué)模式在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施的具體流程,選取普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(必修2)第七章 第6節(jié)“實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系”，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)施．

2.1 創(chuàng)設(shè)情境提出問題激發(fā)學(xué)生的探究興趣

創(chuàng)設(shè)情境是教師導(dǎo)入教學(xué)主題的需要，也是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和自主探究行為的需要．創(chuàng)設(shè)情境的方法多種多樣：可以播放一段與當(dāng)前學(xué)習(xí)主題相關(guān)的視頻，或是播放一段音樂、朗誦一首詩歌、講述一個(gè)故事等．學(xué)生在情境熏陶中，產(chǎn)生探究的興趣，教師進(jìn)一步引導(dǎo)提出要研究的主題和與探究知識相關(guān)的問題．

教師創(chuàng)設(shè)情境：播放一段視頻，中國射箭隊(duì)的第一個(gè)奧運(yùn)會冠軍，2008奧運(yùn)女子射箭冠軍張娟娟的射箭視頻．

提問：箭為什么在短時(shí)間內(nèi),由靜止加速最終高速射向靶盤？

回答：因?yàn)楣南覍┘恿肆Γ苿蛹\(yùn)動了一段距離．

分析：弦對箭有力的作用，并推動箭在力的作用方向上發(fā)生了一段距離，也就是說弦對箭做了功，因此箭被加速，射向靶盤．

總結(jié)：是不是弦對箭做功越多，箭的速度變化越大？既做功越多，速度變化越大？

引入：這節(jié)課我們就通過實(shí)驗(yàn)來探究功與速度變化之間的關(guān)系．

2.2 引導(dǎo)學(xué)生猜想假設(shè)

根據(jù)要探究的問題，教師引導(dǎo)學(xué)生提出合理的推測和科學(xué)的假設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究．

教師：明確研究對象為小車，要研究合外力對小車做的功與小車速度變化之間的關(guān)系，需要測量哪些數(shù)據(jù)？用到哪些實(shí)驗(yàn)儀器？

回答：測量合外力對小車做的功W；測量小車的初始速度和末速度v，要用到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器．

教師：要尋找W與v的關(guān)系，就需要測量多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以采用哪種方法處理數(shù)據(jù)？

回答：圖像法,也可以用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù),以便尋找W與v的關(guān)系．

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面：明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，根?jù)實(shí)驗(yàn)原理，應(yīng)用給定的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)而記錄數(shù)據(jù)，得出結(jié)論．實(shí)驗(yàn)中涉及具體的實(shí)驗(yàn)方法也很重要，如控制變量法、倍增法等．

師生研討，初定方案.

方案一：由重物通過滑輪牽引小車，當(dāng)小車的質(zhì)量比重物大很多時(shí)，可以把重物所受的重力看做小車受的牽引力．小車運(yùn)動的距離可以由紙帶測出．改變重物的質(zhì)量或者小車運(yùn)動的距離，也就改變了牽引力做的功．實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示．

圖1 方案一實(shí)驗(yàn)裝置圖

師生共同分析：

(1)在不考慮摩擦力的情況下,牽引力對小車做的功可表示為W=WG=mgl，m為懸掛砝碼的質(zhì)量，l為小車運(yùn)動的距離．從公式中可以看出，可以通過改變質(zhì)量m或者小車運(yùn)動的距離l來改變W的值，也就是說，要想得到功W的值，需要測量m和l兩個(gè)物理量．

(2)小車最終速度v可由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶測量出．

方案二：使小車在橡皮筋的作用下彈出．第二次、第三次……操作時(shí)分別改用2根、3根……同樣的橡皮筋，并使小車從同樣的位置被彈出，那么，橡皮筋對小車做的功一定是第一次的2倍、3倍……還要測出小車每次被彈出后的速度，最后研究牽引力對小車做的功與小車速度的關(guān)系． 實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示．

圖2 方案二實(shí)驗(yàn)裝置圖

(1)測量橡皮筋對小車做功W

分析：橡皮筋拉小車的力F為變力，很難測其功W．實(shí)驗(yàn)中，我們是否需要測量出橡皮筋做功的具體數(shù)值？

回答：不需要．采用倍增的思想方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)．

第一次用一根橡皮筋，拉力做功W；

第二次用兩根橡皮筋，拉力做功2W；

第三次用三根橡皮筋，拉力做功3W……

問題：為使實(shí)驗(yàn)中橡皮筋做的功成倍增加，對橡皮筋有什么要求？

回答：所用橡皮筋要相同，每次拉伸長度要相同．

(2)測量因橡皮筋做功而使小車獲得的速度v

問題：橡皮筋做功過程中，小車速度v是如何變化的？

回答：速度v一直增大．才開始拉力最大，隨橡皮筋縮短，拉力減小，加速度a不斷減小，小車做的是a不斷減小的加速運(yùn)動，橡皮筋恢復(fù)原長時(shí)，a減小為零，速度達(dá)到最大，之后做勻速直線運(yùn)動．

問題：可用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶測量小車最終的速度v．實(shí)驗(yàn)中紙帶上打出的點(diǎn)并不都是均勻的，應(yīng)采用哪些點(diǎn)來計(jì)算小車速度？如何計(jì)算？

分析比較兩種方案：

方案二中只需測量小車末速度v一個(gè)物理量，相比方案一需要測量的物理量少，實(shí)驗(yàn)方案更為簡潔，因此我們采用第二種方案．

為保證實(shí)驗(yàn)的成功，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：小車運(yùn)動時(shí)會受到摩擦阻力，如何解決？

采取措施：平衡摩擦力．將平板上安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端適當(dāng)墊高，調(diào)整高度，直至輕推小車，小車恰好做勻速直線運(yùn)動為止．

小車的選擇：小車前端帶小鉤，用于鉤住橡皮筋．保證小車具備一定的質(zhì)量，可以在小車上放置100～200 g的砝碼，防止在多條橡皮筋作用時(shí)小車運(yùn)動速度過快，甚至發(fā)生跳躍，導(dǎo)致紙帶上打出的點(diǎn)過于稀疏，不能打出足夠多的點(diǎn)，影響實(shí)驗(yàn)效果．

橡皮筋的選擇：市場上常用的橡皮筋粗細(xì)不一，彈力差異大，不能使用．選用粗細(xì)均勻，彈力均勻的橡皮筋．橡皮筋可從我們常見的松緊帶中獲取，用剪刀剪去包裹橡皮筋的線，就可獲取多根粗細(xì)均勻的橡皮筋．

實(shí)驗(yàn)裝置的安裝：可以按照圖2所示方法安裝實(shí)驗(yàn)裝置，也可以按照圖3所示方法安裝實(shí)驗(yàn)裝置．圖2中橡皮筋稍微短一些，圖3中橡皮筋稍微長一些，相比較，橡皮筋越長，產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差越小，因此采用圖3中的實(shí)驗(yàn)裝置更合適．實(shí)驗(yàn)中，為保證小車能夠沿同一直線運(yùn)動，需要將橡皮筋拉伸到自然長度，用鉛筆描下小車輪廓，記下小車的初始位置，然后拉伸橡皮筋到一定位置，再用鉛筆描下小車輪廓，記下此時(shí)小車的位置，然后松手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要注意的是：每次采用不同根數(shù)的橡皮筋實(shí)驗(yàn)時(shí)，要保證小車的初始位置和末態(tài)位置一致，這樣就保證了橡皮筋的長度相同，每次拉伸的長度一樣．

圖3 方案二實(shí)驗(yàn)裝置圖

注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)時(shí)要先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，再釋放小車．每次拉伸橡皮筋的長度不宜過短或過長，拉伸長度過短，會產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差，拉伸長度過長，有可能超過橡皮筋的彈性限度．

2.4 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作前, 教師要備好實(shí)驗(yàn)器材，分好實(shí)驗(yàn)小組．實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生要展開小組分工合作，按照設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，并及時(shí)準(zhǔn)確地收集和記錄數(shù)據(jù)．實(shí)驗(yàn)中遇到的具體問題，教師要鼓勵(lì)學(xué)生動腦筋想辦法，利用科學(xué)的方法解決問題．

2.5 分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)論

處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，往往把數(shù)據(jù)整理成表格或圖像，進(jìn)行分析，得出結(jié)論,驗(yàn)證相關(guān)的物理規(guī)律．處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，我們要善于運(yùn)用信息手段，利用計(jì)算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)將更加快捷、準(zhǔn)確．

數(shù)據(jù)分析：利用Excel軟件，尋找W與v的關(guān)系：畫W-v圖像，W-v2圖像，W-v3圖像……

得出結(jié)論：W-v2圖像是一條過原點(diǎn)的直線，即橡皮筋對小車做的功與速度的平方成正比．

2.6 評估交流反思評價(jià)

最后分享實(shí)驗(yàn)成果，教師組織學(xué)生對每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的探究活動和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評估交流．對于不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不要對錯(cuò)一刀切，教師要及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生剖析原因，激發(fā)學(xué)生探究的興趣，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果．

師生共同研討：小車在橡皮筋作用下從靜止開始運(yùn)動，初速度為零，速度v表示的是小車的末速度．

可得出結(jié)論：橡皮筋做功W∝v2-02.

拓展：若小車初速度不為零，功與速度間應(yīng)有什么樣的關(guān)系？

式中v1表示初速度，v2表示末速度.

反思：本實(shí)驗(yàn)采用倍增思想設(shè)計(jì)，探究變力做功與速度變化間的關(guān)系．采用倍增方法，無需測量功的具體數(shù)值是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的精妙之處．利用計(jì)算機(jī)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，方便、快捷、直觀．

自我評價(jià)：縱觀整個(gè)教學(xué)，充分體現(xiàn)了以教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，雙向互動的原則．探究過程中，教師只是進(jìn)行點(diǎn)撥和引導(dǎo)，完全由學(xué)生親手操作，以小組合作的方式完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)而分析得出結(jié)論．學(xué)生親身體驗(yàn)了物理規(guī)律的探究過程，體會到了成功的喜悅和探索的樂趣，取得了良好的教學(xué)效果．通過實(shí)踐探究，學(xué)生加深了對知識規(guī)律的認(rèn)識，掌握了科學(xué)的探究方法，培養(yǎng)了實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，樹立了團(tuán)結(jié)合作的精神．

3 總結(jié)

在本次探究實(shí)驗(yàn)活動中，在教師的引導(dǎo)下，以生活中常見的射箭比賽創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)學(xué)生興趣，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，啟發(fā)學(xué)生使用常見的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究過程，完成了物理規(guī)律的驗(yàn)證．探究性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更注重于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，并在探究過程中貫穿物理的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生利用其他學(xué)科知識(如數(shù)學(xué)知識)處理物理問題的能力，不但提高了學(xué)生的探究能力，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力,形成科學(xué)的價(jià)值觀．