劉振和 張永鋒 李旺

[摘 要]高中物理實驗對落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有非常重要的作用。在物理實驗教學(xué)中，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，不僅可以幫助學(xué)生鞏固所學(xué)物理知識，鍛煉科學(xué)思維，還可以提升學(xué)生的思維品質(zhì)，使思維的深刻性、廣闊性、靈活性、批判性和創(chuàng)造性在一定程度都得到培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]高中物理;實驗教學(xué);科學(xué)思維

[中圖分類號] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2022）17-0046-04

物理實驗在新課程實施過程中占有重要的地位，對提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著不可替代的作用。物理實驗教學(xué)對形成、深化物理觀念，提升學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)，激發(fā)學(xué)生探究意識，幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)態(tài)度都有重要的作用。為此，在物理實驗教學(xué)實踐中教師應(yīng)注意采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，以培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性、廣闊性、靈活性、批判性和創(chuàng)造性。

一、理解經(jīng)典實驗，培養(yǎng)思維的深刻性

思維的深刻性指的是思考問題時能夠把握本質(zhì)特點(diǎn)和內(nèi)在規(guī)律，能排除表面的、片面的、偶然的干擾因素，能透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)事物必然、內(nèi)在、本質(zhì)的聯(lián)系。

經(jīng)典物理實驗蘊(yùn)含著深刻的物理思想和典型的實驗方法。許多教師在教學(xué)中往往注重實驗操作過程，對實驗原理未做深入的剖析，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生做實驗時只會按部就班地進(jìn)行操作，對實驗步驟的合理性和必要性認(rèn)識不到位（如，知其然，不知其所以然），而經(jīng)典實驗的教育功能也沒有體現(xiàn)出來。新課程理念下的物理實驗教學(xué)，教師不僅要讓學(xué)生會做實驗，更要引導(dǎo)學(xué)生深層次思考，搞清楚為什么要這樣做實驗，并通過類比、分析、綜合、推理和論證等過程，鍛煉思維能力，培養(yǎng)思維的深刻性。

[案例1]對實驗“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的研究（實驗裝置如圖1所示）。

分析和討論：對于這個經(jīng)典實驗，除了讓學(xué)生掌握具體操作知識，還要幫助學(xué)生消除困惑，為此，教師要深入挖掘?qū)嶒灥牟僮饕罁?jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題。

（1）實驗的研究對象是誰？

答：小車，注意不是小車和鉤碼組成的系統(tǒng)。

（2）為什么要平衡摩擦力？

答：為了使研究對象受到的合外力簡單，即由細(xì)線拉力單獨(dú)充當(dāng)。

（3）怎樣平衡摩擦力？

答：在長木板無滑輪的一端墊上小木塊，使其適當(dāng)傾斜，利用小車重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡;平衡摩擦力的標(biāo)準(zhǔn)是小車帶著紙帶恰好可以沿板勻速下滑。

（4）平衡摩擦力時為什么不能在輕繩的另一端掛托盤，但是必須讓小車連上紙帶，且讓打點(diǎn)計時器處于工作狀態(tài)？

答：不掛托盤是為了使繩對小車沒有拉力，此時小車只受到重力、支持力和阻力。平衡摩擦力使這三個力的合力為零。實驗時，小車的合外力就只有繩子拉力了。讓小車連上紙帶，且讓打點(diǎn)計時器處于工作狀態(tài)，這樣就平衡了包括滑動摩擦力，紙帶所受的摩擦力在內(nèi)的所有阻力。

（5）細(xì)線為什么必須與木板平行？

答：細(xì)線如果不與木板平行，細(xì)線上的拉力會在垂直木板方向有分力，小車所受合外力就不等于細(xì)線的拉力。

（6）為什么要求小車質(zhì)量[M]遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量[m]？

答：對小車和鉤碼組成的系統(tǒng)，由牛頓第二定律有[mg=（M+m）a]，對小車有[F=Ma]，聯(lián)立可得小車加速度為[a=mM+mg]，細(xì)線上的拉力[F=MM+mmg=mg1+mM]，只有當(dāng)[M?m]時，才可近似認(rèn)為小車所受的拉力[F]等于[mg]，所以可以通過測量鉤碼質(zhì)量，從而得到細(xì)線拉力，即小車所受合外力。

這些看似細(xì)小的問題都有著深刻的道理，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生探尋其中的道理，找尋隱藏在現(xiàn)象背后的原因，這樣既解答了學(xué)生的疑惑，也加深了學(xué)生對實驗的認(rèn)識，培養(yǎng)了學(xué)生思維的深刻性。

二、多種思路設(shè)計實驗，培養(yǎng)思維的廣闊性

思維的廣闊性指的是思考問題思路開闊，不拘泥于一種途徑，可以多方位、多層次地探索問題。在實驗教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生多角度思考實驗原理、過程和處理數(shù)據(jù)的方法，調(diào)動學(xué)生各方面的知識和技能，深化對概念、規(guī)律的理解，突破學(xué)生的慣性思維，培養(yǎng)學(xué)生思維的廣闊性。

[案例2]電阻的測量。

分析和討論：電阻測量，依據(jù)不同的思路可以有多種方法，教師可指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行梳理，得到以下幾種常用方法。

（1）伏安法：根據(jù)電阻的定義[R=UI]，利用如圖2甲（內(nèi)接法）或乙（外接法）的電路測量。

（2）歐姆表法：利用歐姆表，根據(jù)閉合電路歐姆定律測電阻。

（3）替代法：用如圖3所示電路，根據(jù)[Rx]和[R2]可以等效替代測出[Rx]的阻值。

（4）半偏法：利用如圖4甲所示電路可以測電流表[G]的電阻，利用如圖4乙所示電路可以測電壓表[V]的內(nèi)阻。

（5）差值法：用如圖5甲所示電路（應(yīng)知道電壓表[V1]的內(nèi)阻）或圖5乙所示電路（應(yīng)知道電流表[A2]的內(nèi)阻）可以測量電阻[Rx]的阻值。

（6）電橋法：利用如圖6所示的電路在電橋平衡時（即電流表讀數(shù)為零）的關(guān)系可以測量電阻[Rx]的阻值。

教師指導(dǎo)學(xué)生一題多解，幫助學(xué)生對已經(jīng)獲得的知識進(jìn)行歸納整理，使學(xué)生打通不同方法的界限。這樣可使學(xué)生的知識體系變得更加完善和順暢，方便學(xué)生隨時調(diào)用知識，從而使學(xué)生能夠站在更高的角度審視問題，擴(kuò)展學(xué)生的思維視野。

三、變通使用儀器儀表，培養(yǎng)思維的靈活性

思維的靈活性指研究問題時善于根據(jù)問題的變化，及時調(diào)整思考方向，并且能在不同的思考方向間順暢變通，自如切換。在實驗教學(xué)中，教師要指導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)理論和技能，靈活使用現(xiàn)有實驗儀器。

[案例3]用以下器材測量電阻[Rx]的阻值。

待測電阻[Rx]，阻值約為600 Ω;電源[E]：電動勢約為6.0 V，內(nèi)阻可忽略不計;電壓表V1，量程為0～500 mV，內(nèi)阻r1=1 kΩ;電壓表V2，量程為0～6 V，內(nèi)阻[r2]約為10 kΩ;電流表A，量程為0～0.6 A，內(nèi)阻[r3]約為1 Ω;定值電阻 [R0=60 Ω];滑動變阻器[R]，0～150 Ω;單刀單擲開關(guān)S一個，導(dǎo)線若干。

（1）測量中要求兩個電表的讀數(shù)都不小于其量程的1/3，并能測量多組數(shù)據(jù)，請畫出測量電阻[Rx]的實驗電路圖。

（2）若選擇測量數(shù)據(jù)中的一組來計算[Rx]，則由已知量和測量物理量計算[Rx]的表達(dá)式為[Rx=] ? ? ? ? ? ? ? ? ，式中各符號的意義是_____________________。（所有物理量用題中代表符號表示）

分析和討論：由于題中電流表A量程太大，如果使用該電流表測量，則示數(shù)小于量程的1/3，測量誤差太大，所以可以考慮用內(nèi)阻已知的電壓表V1測電流，但是其量程比較小，只有[IV1=URV1=500×10-31000A=5×10-4A]，這樣的話，電阻[Rx]上的最大電壓為[Um=IV1Rx=5×10-4×600 V=0.3 V]，不到電壓表V2量程的三分之一[13×6 V=2 V ]，所以必須對電壓表V1這個“反串”的電流進(jìn)行改裝擴(kuò)容，使其量程增大。把定值電阻[R0]用作分流電阻，這樣電壓表V1就被改裝成量程合適的電流表。結(jié)合其他分析計算可知，本題應(yīng)該設(shè)計出如圖7所示的電路，這也是第（1）問的答案。

推理可知，待測電阻的計算式為[Rx=U2-U1U1（R0+r1）R0r1=（U2-U1）R0r1U1（R0+r1）]，其中[U1]，[U2]分別是電壓表V1，V2的讀數(shù)，這就是第（2）問的答案。

在實驗設(shè)計中，要準(zhǔn)確掌握各器材特點(diǎn)和原理，根據(jù)需要使它們扮演更多的角色。為此，教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生深刻理解實驗原理和方法，打破學(xué)生的慣性思維，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。

四、全面評價實驗方案，培養(yǎng)思維的批判性

思維的批判性指的是善于獨(dú)立思考，善于質(zhì)疑批判，對思維過程和結(jié)果能進(jìn)行評價并做必要的修正，善于對相似或者相近的問題進(jìn)行辨析。在物理實驗中，善于對實驗方案、實驗過程、實驗結(jié)果進(jìn)行評判，舍棄不合理的方案，選擇最佳方案或方法就是思維批判性的表現(xiàn)。在物理實驗教學(xué)中，教師應(yīng)有意識地引導(dǎo)學(xué)生對實驗過程和結(jié)果進(jìn)行分析和評價，鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，審視實驗原理，努力尋找更便捷、科學(xué)的實驗方案。

[案例4]（2020年北京市普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試）用圖8所示的甲、乙兩種方法測量某電源的電動勢和內(nèi)電阻（約為1 Ω）。其中[R]為電阻箱，電流表的內(nèi)電阻約為0.1 Ω，電壓表的內(nèi)電阻約為[3 kΩ]。

（1）利用圖8甲所示實驗電路測電源的電動勢[E]和內(nèi)電阻[r]，所測量的實際是圖9中虛線框所示“等效電源”的電動勢[E′]和內(nèi)阻[r′]。若電流表內(nèi)電阻用[RA]表示，請你用E、r和[RA]表示出[E′]，[r′]，并簡要說明理由。

（2）某同學(xué)利用圖像分析甲、乙兩種方法中由電表內(nèi)電阻引起的實驗誤差。在圖10中，實線是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖得到的[U-I]圖像，虛線是該電源的路端電壓[U]隨電流[I]變化的[U-I]圖像（沒有電表內(nèi)電阻影響的理想情況）。

在圖10中，對應(yīng)圖8甲電路分析的[U-I]圖像是 _______________;對應(yīng)圖8乙電路分析的[U-I]圖像是 _______________。

（3）綜合上述分析，為了減小由電表內(nèi)電阻引起的實驗誤差，本實驗應(yīng)選擇圖8中的 ? ? ? ? ? ? ? （填“甲”或“乙”）。

分析和討論：（1）將電源和電流表視為等效電源，電源電動勢是電源本身屬性，電流表不產(chǎn)生電動勢，所以等效電源的電動勢為[E′=E]，而電流表的內(nèi)電阻和電源的內(nèi)電阻作為等效電源的內(nèi)電阻，即[r′=r+RA]。

（2）對圖8甲電路，考慮電表內(nèi)電阻時，根據(jù)閉合電路歐姆定律得[E=U+I（r+RA）]，變形得[U=-（r+RA）I+E]。

通過實驗獲得數(shù)據(jù)，分析可得[U=-r′I+E]。

從以上分析可知，對圖8甲電路，兩[U-I]圖像與縱軸截距均為電源電動勢[E]，虛線對應(yīng)的斜率大小為[r]，實線對應(yīng)斜率大小[r′]為（[r+RA]），所以對應(yīng)圖8甲電路分析的[U-I]圖像是[C]。

對圖8乙電路，考慮電表內(nèi)阻時（即虛線對應(yīng)的真實情況），根據(jù)閉合電路歐姆定律得：[E=U+I+URVr]，變形得[U=-RVrRV+rI+RVRV+rE]。

通過實驗獲得數(shù)據(jù)，分析可得[U=-r′I+E′]。

虛線對應(yīng)的斜率大小為[r]，實線對應(yīng)的斜率大小[r′=RVRV+rr

（3）根據(jù)題中數(shù)據(jù)，[rrA=1 Ω0.1 Ω=10]，[rVr=3000 Ω1 Ω=3000]，在圖8甲電路中，雖然測量的電源電動勢準(zhǔn)確，但電流表分壓較為明顯，內(nèi)電阻測量誤差很大;圖8乙電路雖然電動勢和內(nèi)電阻測量均偏小，但電壓表內(nèi)電阻很大，分流不明顯，所以電動勢和內(nèi)電阻的測量誤差較小，所以選擇圖8乙可以減小由電表內(nèi)電阻引起的實驗誤差。

本題答案：（1）[E′=E]，[r′=r+RA]，理由見解析 （2）C A（3）乙

五、重視實驗拓展遷移，培養(yǎng)思維的創(chuàng)造性

思維的創(chuàng)造性指的是思維不拘泥于舊的模式，能另辟蹊徑思考問題，思維具有新穎性、獨(dú)特性和發(fā)散性。在實驗教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生跳出已有思維模式，把所學(xué)習(xí)的核心理論、操作方法大膽地拓展、遷移和組合，從而深化物理觀念，培養(yǎng)探究能力，鍛煉學(xué)生分析問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)造性。

[案例5]驗證碰撞中的動量守恒。

分析和討論：教材提供了“驗證碰撞中的動量守恒”的多種實驗方案，在教學(xué)中可結(jié)合一些習(xí)題中涉及的情景，對以前的知識進(jìn)行組合、拓展和遷移，提出新的實驗方案，以此引導(dǎo)學(xué)生開拓性地思考問題，培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)造性。

教材中碰撞、平拋方案組合。

如圖11所示，小球1和小球2大小相同，先讓質(zhì)量較大的小球1從斜槽上某一固定高度[A]處由靜止釋放，從斜槽末端[B]處水平拋出后落于[P]點(diǎn);將小球2放于[B]處，再次讓小球1從[A]處無初速釋放，在[B]處與小球2碰撞后，小球1落于[M]點(diǎn)，小球2落于[N]點(diǎn)，找到[B]點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)[O]，測出[OM]、[OP]、[ON]的長度。

分析：如果碰撞過程中動量守恒，則[m1v0=m1v1+m2v2]，設(shè)小球平拋過程用時為[t]，則有[m1OPt=m1OMt+m2ONt]，可得[m1·OP=m1·OM+m2·ON]。在具體實驗中，如果有[m1·OP=m1·OM+m2·ON]，即驗證了該碰撞過程動量守恒。

拓展思路1.實驗方法及條件與思路1中相同，讓小球平拋后落在斜面[BC]上，如圖12所示，測出小球質(zhì)量和[BM]、[BP]和[BN]的長度。

分析：設(shè)斜面傾角為[θ]，落點(diǎn)到[B]距離為[L]，由平拋運(yùn)動規(guī)律有[Lsinθ=12gt2]，[Lcosθ=vt]，聯(lián)立可得[v=gLcos2θ2sinθ∝L]。

若碰撞過程動量守恒，則[m1v0=m1v1+m2v2]，代入各速度，整理得[m1BP=m1BM+m2BN]。

在實驗中，如有[m1BP=m1BM+m2BN]，則驗證了碰撞過程動量守恒。

拓展思路2.碰撞、平拋和豎直面組合。

如圖13所示，其他條件與思路1相同，但是讓小球平拋后都打在同一豎直面上，這說明各平拋過程的水平位移[x]相同。

分析：根據(jù)平拋運(yùn)動規(guī)律，由[h=12gt2]，[x=vt]聯(lián)立得到[v=xg2h∝1h]。

設(shè)[O]點(diǎn)是與拋出點(diǎn)等高的一點(diǎn)，各次落點(diǎn)分別是[P]、[M]、[N]，[O]點(diǎn)到各點(diǎn)距離為[OP]、[OM]、[ON]。如果碰撞過程動量守恒，則有[m1v0=m1v1+m2v2]，可得[m1OP=m1OM+m2ON]。

實驗中，若測得的數(shù)據(jù)滿足[m1OP=m1OM+m2ON]，則驗證了碰撞過程動量守恒。

在高中物理實驗教學(xué)中，教師采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，積極引導(dǎo)學(xué)生深入分析實驗原理與過程、數(shù)據(jù)處理方法以及實驗誤差，不僅可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解物理知識，掌握物理實驗方法，還可以提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)，助力學(xué)生全面成長。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?彭聃齡.普通心理學(xué)[M].5版.北京：北京師范大學(xué)出版社，2019.

（責(zé)任編輯 易志毅）