回歸科學(xué)探究活動(dòng)的本真——“機(jī)械能守恒定律”的探究性教學(xué)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(shí)施以來(lái),“科學(xué)探究”引起了廣大物理教學(xué)工作者的極大關(guān)注.一線教師都在積極探索基于“科學(xué)探究”理念的教學(xué)活動(dòng)方式,在全國(guó)性的物理教學(xué)創(chuàng)新大賽、物理教學(xué)的年會(huì)等活動(dòng)中也都有專題性的研討.

筆者在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中認(rèn)識(shí)到,物理實(shí)驗(yàn)是最重要、最受歡迎、最具實(shí)效性的“科學(xué)探究”活動(dòng)載體.鑒于實(shí)驗(yàn)室配備的實(shí)驗(yàn)器材從“科學(xué)探究”活動(dòng)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(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備.筆者在10多年的自制實(shí)驗(yàn)儀器活動(dòng)中,本著物理原理體現(xiàn)的充分、操作方式直觀便捷、現(xiàn)象突出易于觀察、制作過(guò)程簡(jiǎn)單易行的原則,自制的實(shí)驗(yàn)儀器在開(kāi)展“科學(xué)探究”活動(dòng)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(jī)械能守恒定律”的教學(xué)為例,談?wù)勛约捍譁\的認(rèn)識(shí).

1 教學(xué)設(shè)計(jì)的整體思路

如圖1所示.

圖1

2 主要活動(dòng)流程介紹

整節(jié)課分為如下3個(gè)基本板塊.

2.1 定性分析板塊

這一板塊的作用有兩個(gè),一是激發(fā)學(xué)生參與學(xué)習(xí)活動(dòng)的興趣,其做法是創(chuàng)設(shè)了一個(gè)“巨型單擺”實(shí)驗(yàn):在教室的天花板上懸掛了一個(gè)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(lái)的過(guò)程中,學(xué)生發(fā)出了一片驚嘆聲！在教師提供的針對(duì)情景分析的問(wèn)題中,學(xué)生們進(jìn)入了思維啟動(dòng)的階段.二是在繼續(xù)演示“水平方向上的彈簧振子”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,定性分析兩個(gè)情景中重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能、動(dòng)能間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系.

2.2 定量分析板塊

這一板塊是整個(gè)探究活動(dòng)的核心,也是本次學(xué)習(xí)活動(dòng)成敗的關(guān)鍵.首先進(jìn)行的是以自由落體運(yùn)動(dòng)為載體的位移和速度這兩個(gè)物理量的數(shù)據(jù)采集,在以往教學(xué)中通常都是用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)完成此項(xiàng)工作,由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器存在系統(tǒng)誤差,加上數(shù)據(jù)測(cè)量以及計(jì)算的繁雜,使得定量研究的結(jié)果往往不盡人意,筆者巧妙地設(shè)計(jì)制作了一套實(shí)驗(yàn)裝置——粉末計(jì)時(shí)器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確采集,為下一步的定量分析打下了基礎(chǔ),很好地解決了這一問(wèn)題.

電路構(gòu)成如圖2所示:取長(zhǎng)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(jì)時(shí)方法:(1)當(dāng)鋅片接地時(shí),手在鋅片上抹動(dòng)沒(méi)有條紋出現(xiàn).(2)當(dāng)鋅片接地線斷開(kāi)時(shí),手在鋅片上抹動(dòng)時(shí),原來(lái)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(dòng)是勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),條紋等間距分布;手的抹動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)時(shí),條紋呈不等間距分布.但無(wú)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(shí)間間隔為0.02s.當(dāng)有N條條紋時(shí),相應(yīng)的總計(jì)時(shí)量為t＝(N－1)×0.02s.

這種計(jì)時(shí)方法打破了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)期以來(lái)選擇打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)的傳統(tǒng)思維模式,構(gòu)思奇特,可以說(shuō)是計(jì)時(shí)方法上的一個(gè)大突破.其主要的優(yōu)點(diǎn)是:(1)精確度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,直觀性強(qiáng).(2)計(jì)時(shí)部分與被研究的對(duì)象是分離的,克服了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)計(jì)時(shí)時(shí)振針與紙帶間的相互作用.(3)通過(guò)接地線的通斷,可方便地實(shí)現(xiàn)物理過(guò)程的起終點(diǎn)與計(jì)時(shí)起終點(diǎn)的同步運(yùn)作.

本次探究實(shí)驗(yàn)的原理如圖3所示:當(dāng)手指按住開(kāi)關(guān)S時(shí)小球被電磁鐵吸附,而S′處于斷開(kāi)狀態(tài).當(dāng)手指離開(kāi)開(kāi)關(guān)S后將在金屬板上滑動(dòng),在手指離開(kāi)S時(shí)S將自動(dòng)斷開(kāi),小球自由下落.當(dāng)小球落到開(kāi)關(guān)S′時(shí),依靠下落的沖擊力將其閉合,粉末計(jì)時(shí)器的接地線接通,金屬板上不再有條紋.

圖3

圖4

圖6

實(shí)際的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示,計(jì)時(shí)鋅片上硫磺粉末在計(jì)時(shí)前后的對(duì)比如圖5(計(jì)時(shí)前)、圖6(計(jì)時(shí)后)所示.在教師每操作完成一次實(shí)驗(yàn)后,請(qǐng)學(xué)生數(shù)出條紋數(shù)目,并根據(jù)上述計(jì)算公式算出對(duì)應(yīng)的下落時(shí)間.

教學(xué)實(shí)踐表明,實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果是非常理想的.

這一板塊的第二步是以自由落體運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行理論推導(dǎo),要求學(xué)生閱讀教材第22頁(yè)倒數(shù)第2行至第23頁(yè),從而推導(dǎo)出機(jī)械能守恒定律.

2.3 規(guī)律應(yīng)用板塊

問(wèn)題:小球沿光滑斜軌道由靜止開(kāi)始滑下,并進(jìn)入在豎直平面內(nèi)的離心軌道運(yùn)動(dòng),如圖7所示.為保持小球能夠通過(guò)離心軌道最高點(diǎn)而不落下,則小球至少應(yīng)從多高處開(kāi)始滑下？已知離心圓軌道半徑為R,不計(jì)各處的摩擦.

圖7

圖8

圖9

圖10

本問(wèn)題的一個(gè)關(guān)鍵是要確認(rèn)機(jī)械能守恒定律中的初末狀態(tài),筆者利用數(shù)碼相機(jī)的連拍功能,將整個(gè)物理過(guò)程定格住幾個(gè)特殊的狀態(tài),如圖8～圖10所示,目的在于確認(rèn)小球在最高點(diǎn)的速度是不為零的.

3 教學(xué)反思

(1)高中階段物理學(xué)科探究性教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展,往往是針對(duì)比較復(fù)雜的問(wèn)題情境,要在定量的水平上實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)律的探索就更不易實(shí)現(xiàn).本次教學(xué)公開(kāi)活動(dòng)采取了一種將真實(shí)實(shí)驗(yàn)作為探究過(guò)程的載體,其中自制的教具構(gòu)思獨(dú)特,為定量探究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).在高中物理教材中有許多這樣類似的問(wèn)題,如單擺周期公式的定量探究.筆者曾經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,運(yùn)用真實(shí)的單擺測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)用幾何畫(huà)板處理數(shù)據(jù)得出了單擺的周期公式,限于篇幅,不再詳述.

(2)本次實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中熏陶了物理學(xué)中一種基本的科學(xué)方法:“演示實(shí)驗(yàn)——采集數(shù)據(jù)——定量分析——得出結(jié)論”,而理論的推導(dǎo)進(jìn)一步將實(shí)驗(yàn)結(jié)論推廣到普適性的一般規(guī)律上.

(3)一般來(lái)講數(shù)碼相機(jī)主要有以下3種功能:拍攝靜態(tài)圖片、拍攝等時(shí)間間隔的連幅圖片和拍攝視頻圖像.這3項(xiàng)功能運(yùn)用得合理,都可以為物理探究活動(dòng)提供有效的支撐.