■李 翔

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）提出，物理課程是一門(mén)注重實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程。此階段的物理課程應(yīng)該讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究方法，提高分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。在物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)扮演著重要的角色：既是教學(xué)的必須內(nèi)容和必備手段，同時(shí)也是知識(shí)發(fā)生、發(fā)展的必要載體。下面筆者就以蘇科版物理“力 彈力”這節(jié)課的教學(xué)為例，談?wù)勅绾卫梦?chuàng)新實(shí)驗(yàn)去突破本節(jié)課的重難點(diǎn)。

重難點(diǎn)一：接觸的兩個(gè)物體間一定會(huì)產(chǎn)生彈力作用嗎？

解決這一問(wèn)題，教師的通常做法是：將兩個(gè)粉筆盒靠在一起，拿走其中一個(gè)，另一個(gè)不會(huì)動(dòng)，說(shuō)明即使兩個(gè)物體接觸，也不一定會(huì)產(chǎn)生彈力作用。但是盒子與桌面之間有較大的摩擦力，用兩個(gè)小球代替盒子來(lái)做實(shí)驗(yàn)效果會(huì)好很多。我們還可以設(shè)置一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)來(lái)突破這一重難點(diǎn)。將兩個(gè)灌滿(mǎn)沙子的乒乓球（灌滿(mǎn)沙子的目的是增大慣性，使其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不易改變）用細(xì)線懸掛在鐵架臺(tái)的橫桿上，改變兩根懸線的距離，使其等于乒乓球的直徑。輕輕撥開(kāi)一個(gè)乒乓球，另一個(gè)乒乓球紋絲不動(dòng)（圖1）。將懸掛點(diǎn)靠攏，再撥開(kāi)一個(gè)乒乓球，另一個(gè)乒乓球開(kāi)始擺動(dòng)，如圖2所示。通過(guò)這組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能直觀地認(rèn)識(shí)到：產(chǎn)生彈力的必要條件不只是兩物體要接觸，還有兩個(gè)物體要相互擠壓，發(fā)生彈性形變。

圖1

圖2

重難點(diǎn)二：如何區(qū)分彈性形變與范性形變？

發(fā)生形變的物體撤去外力后能恢復(fù)原狀，這種形變叫彈性形變；發(fā)生形變的物體撤去外力后不能恢復(fù)原狀，這種形變叫范性形變。由于彈力的產(chǎn)生需要物體發(fā)生彈性形變，所以蘇科版初中物理教材只講解了彈性形變，而沒(méi)有涉及范性形變。但是筆者認(rèn)為，彈性形變與范性形變對(duì)比著講解，能讓學(xué)生更深層次地理解“形變”這個(gè)概念，特別是理解：得出“在彈性限度內(nèi)，彈簧所受外力越大，彈簧的形變量就越大”這一結(jié)論時(shí)，為什么要強(qiáng)調(diào)“在彈性限度內(nèi)”。

我們可以讓學(xué)生取下圓珠筆里面的小彈簧，當(dāng)用很小的力拉動(dòng)時(shí)，彈簧能恢復(fù)原狀；當(dāng)用較大的力拉動(dòng)時(shí)，彈簧不能恢復(fù)原狀，如圖3和圖4所示。這樣學(xué)生很容易理解彈性形變與范性形變的區(qū)別，也能直觀地認(rèn)識(shí)到外力足夠大時(shí)，彈性形變也能轉(zhuǎn)變成范性形變。

圖3

圖4

重難點(diǎn)三：如何體現(xiàn)微小或瞬間形變？

初中蘇科版物理教材設(shè)計(jì)關(guān)于彈力的實(shí)驗(yàn)時(shí)，用到了幾種容易發(fā)生彈性形變的物體，如：氣球、彈簧、橡皮筋、塑料尺等。這些器材容易從身邊獲取，也能直觀地說(shuō)明彈力產(chǎn)生的原因之一：發(fā)生彈性形變。但是對(duì)于桌子、玻璃杯等這類(lèi)表面相對(duì)堅(jiān)硬的物體而言，彈性形變很難體現(xiàn)。如何體現(xiàn)微小形變很考驗(yàn)教師的教學(xué)智慧。

常見(jiàn)的一種方法是：在一個(gè)密封的玻璃瓶中插一根透明的吸管，玻璃瓶?jī)?nèi)裝滿(mǎn)染成紅色的水，吸管內(nèi)液面高于瓶口，如圖5所示。當(dāng)用力擠壓玻璃瓶的側(cè)壁時(shí)，能看到吸管中的液柱有明顯上升；當(dāng)松手時(shí)，液面又下降至原來(lái)的位置。堅(jiān)硬的玻璃表面發(fā)生的彈性形變雖然肉眼察覺(jué)不到，但是可以通過(guò)這種“放大法”直觀地呈現(xiàn)。另一種常見(jiàn)的方法是通過(guò)光的反射來(lái)放大微小形變。我們知道，入射光線固定，如果平面鏡轉(zhuǎn)過(guò)θ角，則法線也轉(zhuǎn)過(guò)θ，而反射光線轉(zhuǎn)過(guò)2θ。如圖6，在桌面上放置一塊較大的平面鏡，在鐵架臺(tái)上固定一塊較小的平面鏡。讓一束激光從同一方向入射，光經(jīng)過(guò)兩次反射，射到木板上的一點(diǎn)。當(dāng)桌面上放置一個(gè)重物時(shí)，發(fā)現(xiàn)光斑發(fā)生了較大的位移。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)很容易推理出：重物對(duì)桌面的壓力導(dǎo)致桌面發(fā)生了微小形變。

圖6

足球的表面雖然不如桌面堅(jiān)硬，但是足球砸在地上或人的臉上時(shí)發(fā)生的形變也很難察覺(jué)，這是由于球速太快，形變的時(shí)間太短。筆者給足球拍攝一段慢動(dòng)作視頻，將足球形變的速度放慢。通過(guò)慢動(dòng)作視頻，我們還能直觀地看到：不但足球發(fā)生形變，人臉也發(fā)生了形變，足球和人臉的形變都產(chǎn)生了彈力。（圖7-圖9）同時(shí)也說(shuō)明了另一個(gè)重要的力學(xué)原理：力的作用是相互的，為后續(xù)的學(xué)習(xí)埋下了伏筆。

圖7

圖8

圖9

重難點(diǎn)四：如何解決“誰(shuí)的形變產(chǎn)生壓力或支持力”的問(wèn)題？

我們知道：茶杯放在桌面上，如圖10所示，茶杯對(duì)桌面的壓力和桌面對(duì)茶杯的支持力都是彈力，但是要想讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)本身就比較困難，而要想深入認(rèn)知壓力或支持力到底是由于誰(shuí)的形變產(chǎn)生的，更是難上加難。筆者在平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中，嘗試用類(lèi)比法來(lái)突破這一重難點(diǎn)，收到了不錯(cuò)的效果。

圖10

我們可以用裝滿(mǎn)水的氣球類(lèi)比茶杯，用海綿類(lèi)比桌面。將裝滿(mǎn)水的氣球輕輕地放在海綿上，我們可以看到裝滿(mǎn)水的氣球變扁了，同時(shí)海綿凹陷下去，氣球和海綿都發(fā)生了形變，如圖11和圖12所示。根據(jù)彈力的定義：物體發(fā)生彈性形變后，力圖恢復(fù)其原來(lái)的形狀而對(duì)另一個(gè)物體產(chǎn)生的力，這個(gè)力叫作彈力。所以，變扁的氣球力圖恢復(fù)原來(lái)鼓起的形狀而產(chǎn)生的彈力是對(duì)海綿向下的壓力，凹陷的海綿力圖恢復(fù)原來(lái)平整的形狀而產(chǎn)生的彈力是對(duì)氣球向上的支持力。由此類(lèi)比到茶杯和桌面：茶杯對(duì)桌面的壓力是由于茶杯發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的，桌面對(duì)茶杯的支持力是由于桌面發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的。

圖11

圖12

通過(guò)這種類(lèi)比，學(xué)生關(guān)于彈力認(rèn)知的難度會(huì)大大降低。而且，形象的實(shí)驗(yàn)比單調(diào)的版畫(huà)和枯燥的講解更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

重難點(diǎn)五：如何定量探究物體形變與外力的關(guān)系？

“探究物體形變與外力的關(guān)系”是本節(jié)課的重要實(shí)驗(yàn)。教材通過(guò)“手壓塑料尺使其彎曲”和“手拉彈簧使其伸長(zhǎng)”兩個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀地體會(huì)到：使物體發(fā)生彈性形變的外力越大，物體的形變就越大。初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有要求對(duì)此進(jìn)行定量探究和得到定量結(jié)論：在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長(zhǎng)量（形變量）與外力成正比。但是定量的結(jié)論經(jīng)常用于課后習(xí)題的解答，同時(shí)該結(jié)論也是接下來(lái)要學(xué)的彈簧測(cè)力計(jì)的工作原理，所以筆者認(rèn)為在本節(jié)課有必要對(duì)“彈簧的伸長(zhǎng)量與外力的關(guān)系”進(jìn)行定量探究。如果像高中學(xué)習(xí)胡克定律那樣系統(tǒng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，時(shí)間不允許，學(xué)生理解起來(lái)也比較生硬。那么，如何快捷、有效地得到定量結(jié)論呢？筆者在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了如下嘗試。

選四個(gè)同樣的彈簧A、B、C、D依次掛在一根水平橫桿上，A彈簧不掛任何鉤碼，B、C、D三根彈簧分別掛上一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)鉤碼，過(guò)A彈簧的底端，水平拉一根細(xì)線，以該細(xì)線為端點(diǎn)分別測(cè)量B、C、D三根彈簧的伸長(zhǎng)量，如圖13所示。筆者認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)方法與傳統(tǒng)的“用一根彈簧掛四次鉤碼”的實(shí)驗(yàn)方法相比，主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是，用不掛鉤碼的A彈簧作為參照，能直觀地看出彈簧的原長(zhǎng)，降低了學(xué)生的認(rèn)知難度；二是，以過(guò)A彈簧底端的細(xì)線為參照，能直接測(cè)量B、C、D三根彈簧的伸長(zhǎng)量，既節(jié)省了用總長(zhǎng)減去原長(zhǎng)計(jì)算伸長(zhǎng)量所花的時(shí)間，又能對(duì)比著看出外力翻幾倍導(dǎo)致伸長(zhǎng)量翻幾倍的正比關(guān)系，降低了學(xué)生的思考難度。

圖13

本文介紹的幾個(gè)微創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)整節(jié)課的流暢推進(jìn)作出了很大貢獻(xiàn)。有了這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師在解決一些重難點(diǎn)問(wèn)題時(shí)會(huì)更加游刃有余，學(xué)生對(duì)彈力的概念的形成、對(duì)彈力相關(guān)規(guī)律的掌握也會(huì)水到渠成。