中學(xué)物理創(chuàng)新實驗中的低成本與高智慧

阮偉文

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。在科學(xué)的研究方法中，實驗不僅僅是一種操作，更是一種思考方式。 “中學(xué)物理低成本創(chuàng)新實驗”中的“創(chuàng)新”不同于科學(xué)家、藝術(shù)家的創(chuàng)新，而是指通過對中學(xué)生施以系統(tǒng)的教育影響，使他們作為學(xué)習(xí)主體，能夠善于認(rèn)識有意義的新知識、新事物、新思想、新方法，掌握其中蘊涵的基本規(guī)律，并具有相應(yīng)的能力，為將來成為“創(chuàng)新型”人才奠定全面的素質(zhì)基礎(chǔ)。

一、中學(xué)物理低成本創(chuàng)新實驗的探究模式

一個優(yōu)秀的“教學(xué)工作者”首先是一個出色的“課程工作者”。 或者說，優(yōu)秀的教師一直在參與課程資源的開發(fā)和利用。在課堂教學(xué)中，我們更提倡在演示和分組實驗中對低成本實驗的開發(fā)與研究，并利用科學(xué)探究模式（從觀察現(xiàn)象→提出問題→構(gòu)建模型→方案設(shè)計→實驗探究→數(shù)據(jù)測量→歸納總結(jié)），發(fā)揮學(xué)生的主體作用，引導(dǎo)他們通過探索、合作、交流掌握物理知識，提高學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)。下面結(jié)合實例談?wù)勚袑W(xué)物理課堂教學(xué)中演示和隨堂實驗資源的開發(fā)。

二、中學(xué)物理低成本創(chuàng)新實驗的實踐過程案例

本節(jié)課是《動能定理》的第二節(jié)應(yīng)用課，在教科書中并沒有這節(jié)課的內(nèi)容，如何圍繞動能定理研究變力作功這個主題，這是教學(xué)中的關(guān)鍵要素。新課標(biāo)要求能用動能定理解決生產(chǎn)和生活實際的有關(guān)問題。因此在這節(jié)課中，主要是通過學(xué)生尋求生活中變力功的實例，并設(shè)計實驗，而且要求實驗中很大一部分器材直接取材于生活用品，鼓勵學(xué)生自己動手化廢為寶來制作，來加深對動能定理的理解。以下的教學(xué)設(shè)計就是筆者在這一方面的嘗試。

教學(xué)設(shè)計如下：

（1）啟發(fā)思維，引入問題

師：蹦極是一種驚險刺激的運動，系著運動員的繩子是由兩段組成，上面一段是不可伸長細(xì)繩，下面一段是拉力與伸長量成正比的彈性繩。站在懸崖往下跳時，如果不考慮空氣阻力，運動員的受力情況以及運動是怎樣的呢？

生甲：以運動員為研究對象，受到重力和彈性繩的拉力。

生乙：當(dāng)細(xì)繩沒有拉緊前，運動員做的是自由落體運動；當(dāng)拉緊后，彈性繩的拉力隨著伸長量的伸長而增大，做的是變減速運動。

（2）構(gòu)建模型，設(shè)計實驗

師：那我們?nèi)绾吻笞兓膹椥岳K的拉力所做的功？聽起來不太現(xiàn)實，可能很多同學(xué)都沒玩過蹦極，能否用實驗室的器材當(dāng)場來模擬蹦極的過程？

師：蹦極這項運動是由不可伸長細(xì)繩，彈性繩以及運動員組成。大家想想看能不能用什么來替代它們？可分小組討論？

生：用鉤碼代替人，用橡皮筋來代替彈性繩，用個鐵架臺系上細(xì)繩，彈性繩，再掛上鉤碼，從最高點釋放，就可設(shè)計出“蹦 極”。

師：非常好。我們把蹦極模型化，搬到實驗室，一起真實感受它，請大家動手體驗一下（學(xué)生動手）。

（3）小組討論，制定探究方案

師：感受了“蹦極”，鉤碼從最高點運動到最低點時，能否用實驗來測定彈性繩的拉力所做的功？還需要什么測量儀器？

生：在鐵架臺旁固定個尺子，如圖1所示，測出鉤碼自由下落的高度；以及最高點到平衡位置的高度；和最高點運動到最低點的高度。

師：鉤碼自由下落的高度；以及最高點到平衡位置 的高度都好測，可怎么測定最高點到最低點的高度呢？也就是怎么確定最低點的位置？

生甲：讓鉤碼從最高點釋放，運動到最低點時，目測鉤碼位置。

生乙：這樣目測誤差大。

生丙：（如圖1所示）先目測最低點大概在某一位置。然后把小尺子放在那位置，去接觸下落的鉤碼。如果沒碰到，那就太低了，把小尺子放在更高的位置，如果砸到了，就高了，在這兩者之間選取一個位置，讓鉤碼恰好接觸尺子，這就是最低點。

（學(xué)生分組進(jìn)行實驗）

（4）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，測出變力功

師：根據(jù)我們同學(xué)通過實驗得到的數(shù)據(jù)，我們可以編出一道物理題：如圖2裝置，質(zhì)量為m=100g的鉤碼，自由下落的高度為h1=35cm，最高點到平衡位置的高度h2 =42cm，最高點到最低點的高度h3=60cm。如何根據(jù)這些數(shù)據(jù)測出物體克服拉力所做的功Wr ？大家可以分小組討論一下。

生甲：用W=Fscosθ 求。

生乙：這是適用恒力做功，不適用變力做功。

生丙：用動能定理求。

師：動能定理的基本步驟是確定研究對象，再對它受力分析，然后根據(jù)選定的某一過程的始末狀態(tài)列動能定理。請同學(xué)對這一過程進(jìn)行分析。

生甲：以鉤碼為研究對象，如果不考慮空氣阻力，在A—B自由下落階段，只受重力，在最高點A到平衡位置C，受拉力和重力，拉力小于重力；從平衡位置C到最低點D，拉力大于重力。如圖2其中hAB=h1，hAC=h2，hAC=h3選取兩個過程列動能定理。（細(xì)繩、彈性繩重量不計）

A—B：mgh1 =■mv2-0

B—D：mg（h3-h1）-WT=0-■mv2

生乙：選取全程列動能定理。

A—D：mgh3 -WT =0—0

代入數(shù)據(jù)得：WT=0.588J

師：分過程求好還是全程求好？大家可以討論一下。

生甲：全程求好。可以把很多復(fù)雜的問題簡單化。

生乙：因為動能定理的初動能和末動能只由始末兩個狀態(tài)決定，可以忽略過程。這是它最特別的地方。

生丙：即使整個過程是由加速，減速不同的運動過程組成也可用動能定理求。

師：同學(xué)們都講得很好，用動能定理求變力做功，既可分過程求，也可全程求。當(dāng)我們用W=Fscosθ無法求解時，可以考慮用動能定理間接求解。同學(xué)們在課后可進(jìn)行對跟蹦極相似的蹦床運動中的變力功進(jìn)行實驗探究。

三、低成本高智慧物理實驗的發(fā)展前景

通過以上的探究活動，我們對生活中的變力功做了研究，他們都來源于生活。因此就有了這些生活中的實例模型化，讓我們的同學(xué)能夠用實驗室的儀器當(dāng)場模擬。比方說用一些簡易器材設(shè)計出“蹦極” ，在測出相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)后，我們又根據(jù)這些數(shù)據(jù)，編出了相應(yīng)的物理題，真所謂高潮迭起。在整個教學(xué)設(shè)計中，時不時的閃爍智慧的火花，比方說設(shè)計出巧妙的測量方法，蹦極引出的蹦床，這些都讓整節(jié)課增色不少。

用一些簡易器材來做物理實驗，更有利于放手讓學(xué)生在課外自己動手，通過“做中學(xué)”，提高獨立實驗的能力。指導(dǎo)學(xué)生開展“中學(xué)物理低成本創(chuàng)新實驗”設(shè)計與開發(fā)的實踐研究并不是一帆風(fēng)順。它需要具有高素質(zhì)與創(chuàng)造力的老師，在教學(xué)過程中，不斷提高自己的創(chuàng)新能力，掌握創(chuàng)造思維和方法，在課堂中展示自己的高智慧。