回歸科學探究活動的本真——“機械能守恒定律”的探究性教學案例分析

韓建光

(常熟市教育局教科室,江蘇 常熟 215500)

自物理新課程實施以來,“科學探究”引起了廣大物理教學工作者的極大關注.一線教師都在積極探索基于“科學探究”理念的教學活動方式,在全國性的物理教學創(chuàng)新大賽、物理教學的年會等活動中也都有專題性的研討.

筆者在教學實踐活動中認識到,物理實驗是最重要、最受歡迎、最具實效性的“科學探究”活動載體.鑒于實驗室配備的實驗器材從“科學探究”活動的視角考量往往不盡人意,這就需要教師們積極改裝、創(chuàng)新實驗儀器設備.筆者在10多年的自制實驗儀器活動中,本著物理原理體現的充分、操作方式直觀便捷、現象突出易于觀察、制作過程簡單易行的原則,自制的實驗儀器在開展“科學探究”活動中發(fā)揮了積極、有效的作用.

下面以高中物理必修2教材第5章第8節(jié)“機械能守恒定律”的教學為例,談談自己粗淺的認識.

1 教學設計的整體思路

如圖1所示.

圖1

2 主要活動流程介紹

整節(jié)課分為如下3個基本板塊.

2.1 定性分析板塊

這一板塊的作用有兩個,一是激發(fā)學生參與學習活動的興趣,其做法是創(chuàng)設了一個“巨型單擺”實驗:在教室的天花板上懸掛了一個用大鐵塊制作的巨型單擺,教師將單擺的大鐵塊從自己的鼻尖處釋放,在等待大鐵塊擺回來的過程中,學生發(fā)出了一片驚嘆聲！在教師提供的針對情景分析的問題中,學生們進入了思維啟動的階段.二是在繼續(xù)演示“水平方向上的彈簧振子”實驗的基礎上,定性分析兩個情景中重力勢能、彈性勢能、動能間的相互轉化關系.

2.2 定量分析板塊

這一板塊是整個探究活動的核心,也是本次學習活動成敗的關鍵.首先進行的是以自由落體運動為載體的位移和速度這兩個物理量的數據采集,在以往教學中通常都是用打點計時器來完成此項工作,由于打點計時器存在系統(tǒng)誤差,加上數據測量以及計算的繁雜,使得定量研究的結果往往不盡人意,筆者巧妙地設計制作了一套實驗裝置——粉末計時器,實現了對實驗數據的精確采集,為下一步的定量分析打下了基礎,很好地解決了這一問題.

電路構成如圖2所示:取長度0.5m、寬0.1m左右的薄鋅片一塊(其他金屬材料的薄片也可),低壓交流電源(2～4V),硫磺粉末若干(其他能很好附著在金屬薄片上的粉末也可).

圖2

計時方法:(1)當鋅片接地時,手在鋅片上抹動沒有條紋出現.(2)當鋅片接地線斷開時,手在鋅片上抹動時,原來均勻撒在鋅片表面的硫磺粉末呈條紋狀間隔分布.

手的抹動是勻速運動時,條紋等間距分布;手的抹動是變速運動時,條紋呈不等間距分布.但無論條紋是否等間距分布,由于交變電流的周期是固定不變的,始終為0.02s,故相鄰條紋間的時間間隔為0.02s.當有N條條紋時,相應的總計時量為t＝(N－1)×0.02s.

這種計時方法打破了中學物理實驗中長期以來選擇打點計時器計時的傳統(tǒng)思維模式,構思奇特,可以說是計時方法上的一個大突破.其主要的優(yōu)點是:(1)精確度高,結構簡單,操作方便,直觀性強.(2)計時部分與被研究的對象是分離的,克服了打點計時器打點計時時振針與紙帶間的相互作用.(3)通過接地線的通斷,可方便地實現物理過程的起終點與計時起終點的同步運作.

本次探究實驗的原理如圖3所示:當手指按住開關S時小球被電磁鐵吸附,而S′處于斷開狀態(tài).當手指離開開關S后將在金屬板上滑動,在手指離開S時S將自動斷開,小球自由下落.當小球落到開關S′時,依靠下落的沖擊力將其閉合,粉末計時器的接地線接通,金屬板上不再有條紋.

圖3

圖4

圖6

實際的實驗裝置如圖4所示,計時鋅片上硫磺粉末在計時前后的對比如圖5(計時前)、圖6(計時后)所示.在教師每操作完成一次實驗后,請學生數出條紋數目,并根據上述計算公式算出對應的下落時間.

教學實踐表明,實驗探究的結果是非常理想的.

這一板塊的第二步是以自由落體運動為例進行理論推導,要求學生閱讀教材第22頁倒數第2行至第23頁,從而推導出機械能守恒定律.

2.3 規(guī)律應用板塊

問題:小球沿光滑斜軌道由靜止開始滑下,并進入在豎直平面內的離心軌道運動,如圖7所示.為保持小球能夠通過離心軌道最高點而不落下,則小球至少應從多高處開始滑下？已知離心圓軌道半徑為R,不計各處的摩擦.

圖7

圖8

圖9

圖10

本問題的一個關鍵是要確認機械能守恒定律中的初末狀態(tài),筆者利用數碼相機的連拍功能,將整個物理過程定格住幾個特殊的狀態(tài),如圖8～圖10所示,目的在于確認小球在最高點的速度是不為零的.

3 教學反思

(1)高中階段物理學科探究性教學活動的開展,往往是針對比較復雜的問題情境,要在定量的水平上實現對規(guī)律的探索就更不易實現.本次教學公開活動采取了一種將真實實驗作為探究過程的載體,其中自制的教具構思獨特,為定量探究打下了堅實的基礎.在高中物理教材中有許多這樣類似的問題,如單擺周期公式的定量探究.筆者曾經在網絡環(huán)境下,運用真實的單擺測數據、運用幾何畫板處理數據得出了單擺的周期公式,限于篇幅,不再詳述.

(2)本次實驗探究活動中熏陶了物理學中一種基本的科學方法:“演示實驗——采集數據——定量分析——得出結論”,而理論的推導進一步將實驗結論推廣到普適性的一般規(guī)律上.

(3)一般來講數碼相機主要有以下3種功能:拍攝靜態(tài)圖片、拍攝等時間間隔的連幅圖片和拍攝視頻圖像.這3項功能運用得合理,都可以為物理探究活動提供有效的支撐.