抽象實(shí)驗(yàn)在高中物理新教材演示實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐

何正國(guó)

摘 要： 演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中具有重要作用，做演示實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生理解物理概念，掌握物理規(guī)律，培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)技能，但有些教學(xué)內(nèi)容的演示實(shí)驗(yàn)效果并不明顯或根本無(wú)法當(dāng)堂演示。這時(shí)可以讓學(xué)生采取用抽象實(shí)驗(yàn)的方式得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這樣能讓學(xué)生更好地理解、掌握所學(xué)的物理概念和物理規(guī)律，提高學(xué)生的綜合分析能力和邏輯思維能力。抽象實(shí)驗(yàn)對(duì)于那些演示實(shí)驗(yàn)效果不顯著或根本就無(wú)法進(jìn)行當(dāng)堂演示的實(shí)驗(yàn)有很好的補(bǔ)充作用。

關(guān)鍵詞： 抽象實(shí)驗(yàn) 高中物理新教材演示實(shí)驗(yàn) 實(shí)踐

一、高中物理新教材課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，通過(guò)觀察老師的演示實(shí)驗(yàn)和親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生眼、手、腦并用，從生動(dòng)、真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中理解并構(gòu)建物理知識(shí)，這符合學(xué)生從形象思維到抽象思維、從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的認(rèn)識(shí)規(guī)律。因此，教師做好演示實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生從觀察和分析物理現(xiàn)象中，獲得生動(dòng)的感性知識(shí)，從而更好地理解、掌握物理學(xué)的概念和規(guī)律，還可以提高學(xué)生的觀察能力、綜合分析能力和邏輯思維能力。

在物理教學(xué)中，教師為了增強(qiáng)教學(xué)效果，經(jīng)常采用演示實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生看來(lái)，課堂演示實(shí)驗(yàn)更像是一場(chǎng)表演，是授課教師精心準(zhǔn)備的魔術(shù)，學(xué)生往往認(rèn)為實(shí)驗(yàn)跟考試無(wú)關(guān)，也就不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更深入的思考與鉆研，這完全違背教師設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)的初衷，導(dǎo)致不少師生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的功能產(chǎn)生懷疑。這說(shuō)明課堂演示實(shí)驗(yàn)既有增強(qiáng)教學(xué)效果的有利方面又有導(dǎo)致學(xué)生參與度較低的局限性。筆者認(rèn)為，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能局限于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不能讓學(xué)生只是機(jī)械記錄和機(jī)械模仿，應(yīng)該多安排些探究性實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，啟迪學(xué)生的思維，這樣才可以讓物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有生命力，才能充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的思維培養(yǎng)功能，才能讓學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)家對(duì)物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。那么，如何提高演示實(shí)驗(yàn)的思維培養(yǎng)功能呢？筆者就此進(jìn)行了思考和探索。

二、關(guān)于抽象實(shí)驗(yàn)在物理演示實(shí)驗(yàn)中的使用方法的思考

對(duì)于有些演示實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)條件限制或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不明顯時(shí)，可以讓學(xué)生采取用邏輯推理的形式得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這能讓學(xué)生更好地理解、掌握所學(xué)的物理概念和物理規(guī)律，提高學(xué)生的綜合分析能力和邏輯思維能力。比如可以讓學(xué)生只是設(shè)想一套實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法，輔助以一定的假設(shè)作為前提和出發(fā)點(diǎn)（采用已被大量事實(shí)所檢驗(yàn)的物理規(guī)律或已被人們所普遍接受的物理理論和結(jié)論作為前提和出發(fā)點(diǎn)），按照一系列理論進(jìn)行推演，給出實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的邏輯性或假設(shè)的合理性進(jìn)行分析，得到有用的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。相對(duì)演示實(shí)驗(yàn)而言，可以把這種讓學(xué)生用邏輯推理的形式得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論的邏輯思維實(shí)驗(yàn)方法定為抽象實(shí)驗(yàn)。抽象實(shí)驗(yàn)對(duì)于那些演示實(shí)驗(yàn)效果不顯著或根本就無(wú)法進(jìn)行當(dāng)堂演示的實(shí)驗(yàn)有很好的補(bǔ)充作用。在高中新教材中雖然沒(méi)有明確提出抽象實(shí)驗(yàn)的概念，但多次使用這種用邏輯推理的方法得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。以下用實(shí)例說(shuō)明抽象實(shí)驗(yàn)在高中物理新教材中演示實(shí)驗(yàn)上的應(yīng)用。

三、抽象實(shí)驗(yàn)在高中物理新教材課堂演示實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐

1.由伽利略的理想實(shí)驗(yàn)得出力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因

由于斜面摩擦力對(duì)小球上升高度的影響，會(huì)使其上升高度減小，這是學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)可以得出的正確結(jié)論。如果減少斜面摩擦力，則物體會(huì)上升得高一些。如圖1所示。

圖1

如果斜面沒(méi)有摩擦力，則小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)靜止時(shí)的高度。如圖2所示。

圖2

如果此時(shí)減小第二個(gè)斜面的傾角，則小球的運(yùn)動(dòng)又會(huì)是怎樣的？如圖3所示，小球?qū)⒃谛泵嫔线\(yùn)動(dòng)得遠(yuǎn)一些。

圖3

如果傾角還繼續(xù)減小，小球要達(dá)到同樣的高度，將滾得越來(lái)越遠(yuǎn)。如圖4所示。

圖4

如果傾角減小到放平第二個(gè)斜面，如果第二個(gè)斜面無(wú)限長(zhǎng)，小球?qū)⒉豢赡苓_(dá)到原來(lái)的高度，所以就要沿水平面一直運(yùn)動(dòng)下去，如圖5所示。由此得出結(jié)論：物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持。

圖5

實(shí)際上伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)就是本文所說(shuō)的抽象實(shí)驗(yàn)，而且伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)也為我們展示了抽象實(shí)驗(yàn)實(shí)施的方法和程序。

2.電荷所受靜電力與其電荷量成正比

研究電荷在電場(chǎng)的同一位置所受靜電力與其電荷量的關(guān)系時(shí)，由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們很難精確測(cè)定改變前后的電量，也很難精確測(cè)定改變前后電荷所受的靜電力。在這種情況下，我們可以這樣進(jìn)行抽象實(shí)驗(yàn)：設(shè)電荷量為q的電荷在電場(chǎng)中的某一位置受到的靜電力為F，如圖6所示：

圖6

現(xiàn)可以假設(shè)在電場(chǎng)中的同一位置放入電荷量為nq的電荷，如圖7所示，則對(duì)nq這個(gè)整體進(jìn)行分析可知，電場(chǎng)對(duì)其的靜電力為nF，由邏輯推理可得到：電場(chǎng)強(qiáng)度一定時(shí)，電荷所受的靜電力與其電量成正比。

圖7

3.導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積的關(guān)系

要探究導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積的關(guān)系，可以讓學(xué)生先對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，得到實(shí)驗(yàn)規(guī)律，然后讓學(xué)生假設(shè)一套實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行抽象實(shí)驗(yàn)，由邏輯推理得到實(shí)驗(yàn)規(guī)律，并讓學(xué)生比較兩次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，這樣可以啟迪學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的能力?，F(xiàn)對(duì)這一抽象實(shí)驗(yàn)說(shuō)明如下：

一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電阻為R的導(dǎo)體，可以看成是由n段長(zhǎng)度同為l，電阻同為r的導(dǎo)體串聯(lián)而成，如圖8所示。由串聯(lián)電路特點(diǎn)可知R=nr且L=nl，兩式中n值是相同的，則由邏輯推理可得導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比。

圖8

同理，一根橫截面積為S，電阻為R的導(dǎo)體，可以看成是由n段橫截面積為s，電阻同為r的導(dǎo)體并聯(lián)而成，如圖9所示。由并聯(lián)電路特點(diǎn)可知R=■r且S=ns，兩式中n值是相同的，則由邏輯推理可得導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體橫截面積成反比。

圖9

4.通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受的安培力與導(dǎo)體的長(zhǎng)度及流過(guò)的電流的關(guān)系

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，如果單純利用學(xué)校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，則實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是很難測(cè)定變化前后安培力的大小。一旦把學(xué)生已經(jīng)接受的通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到安培力的事實(shí)作為前提，就可以讓學(xué)生進(jìn)行抽象實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論?，F(xiàn)對(duì)這一抽象實(shí)驗(yàn)說(shuō)明如下：

保持導(dǎo)體流過(guò)的電流不變，保持所處位置的磁場(chǎng)不變，使導(dǎo)體長(zhǎng)度加倍，如圖10所示。對(duì)導(dǎo)體整體受力分析可知，其安培力也加倍，則由邏輯推理可得通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受的安培力與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比。

圖10

保持導(dǎo)體的長(zhǎng)度不變，保持所處位置的磁場(chǎng)不變，使流過(guò)導(dǎo)體的電流加倍，如圖11所示。對(duì)導(dǎo)體整體受力分析可知，其安培力也加倍，則由邏輯推理可得通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受的安培力與流過(guò)導(dǎo)體的電流也成正比。

圖11

5.研究原子核的組成

研究原子核是否具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以從天然放射現(xiàn)象入手。那么天然放射現(xiàn)象如何能說(shuō)明原子核可以再分呢？這在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件下是根本無(wú)法當(dāng)堂演示實(shí)驗(yàn)的。此時(shí)則可以通過(guò)抽象實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)這一知識(shí)。

放射性元素具有的放射性與放射性元素所處的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即放射性元素?zé)o論是以單質(zhì)形式存在還是以化合物形式存在，都具有放射性，其放射性的強(qiáng)度也不受溫度、外界壓強(qiáng)的影響。元素的化學(xué)性質(zhì)決定于原子核外的電子，因此放射性元素發(fā)出的射線與核外電子無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，這些射線來(lái)自原子核，從而說(shuō)明原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。那么原子核又是怎樣組成的呢？盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，從氮核中打出了一種新的粒子，根據(jù)這種粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，并測(cè)出了它的質(zhì)量和電荷，確定這種新粒子就是氫原子核，叫做質(zhì)子。此后人們用同樣的方法從其他原子核中也都打出了質(zhì)子，由此可以斷定，質(zhì)子是原子核的組成部分。那么原子核中是否只有質(zhì)子呢？如果原子核中只有質(zhì)子，那么任何一種原子核的質(zhì)量與電荷量之比，都應(yīng)該等于質(zhì)子的質(zhì)量與其電荷量之比。已知的物理事實(shí)是，絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量與電荷量之比都大于質(zhì)子的質(zhì)量與其電荷量之比。由此推斷原子核內(nèi)可能還存在另一種粒子，后由查德威克通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這種粒子的存在，這種粒子就是不帶電的中子。

學(xué)生明白了原子核內(nèi)存在著質(zhì)子和中子這兩種粒子，就會(huì)進(jìn)一步提出：原子核內(nèi)是否存在第三種粒子呢？這時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生思考：假設(shè)存在第三種粒子，那么這種粒子可能帶電，也可能不帶電。這種粒子如果帶電，則粒子無(wú)論帶何種電性都不能保證原子呈電中性；而這種粒子如果不帶電，則這種粒子就可以歸入中子。綜上所述，原子核內(nèi)不存在第三種粒子。

學(xué)生根據(jù)這些抽象實(shí)驗(yàn)，自然就可以理解原子核的組成。

四、抽象實(shí)驗(yàn)在課堂演示實(shí)驗(yàn)中的實(shí)施程序

筆者認(rèn)為，抽想實(shí)驗(yàn)在課堂演示實(shí)驗(yàn)中的實(shí)施程序可以是這樣的：

1.設(shè)想一套實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法；

2.采用已被大量事實(shí)所檢驗(yàn)的物理規(guī)律或已被人們普遍接受的物理理論和物理結(jié)論作為抽想實(shí)驗(yàn)實(shí)施的前提和出發(fā)點(diǎn)；

3.按照物理理論進(jìn)行推演，給出實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的邏輯性或假設(shè)的合理性進(jìn)行分析；

4.得到有用的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

需說(shuō)明的是，我們這里所講到的抽象實(shí)驗(yàn)不是理想實(shí)驗(yàn)，更不是虛假實(shí)驗(yàn)。抽象實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞职l(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，啟迪學(xué)生的思維，充分體現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的思維培養(yǎng)功能，讓學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)家對(duì)物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，這是符合新課程理念要求的學(xué)生觀及師生觀。但抽象實(shí)驗(yàn)絕不能完全替代課堂演示實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橐粋€(gè)準(zhǔn)備充分、實(shí)驗(yàn)效果顯著的課堂演示實(shí)驗(yàn)，無(wú)疑對(duì)學(xué)生的視覺(jué)沖擊、思維沖擊都是比較大的，也一定會(huì)給學(xué)生留下較深刻的印象。而抽象實(shí)驗(yàn)則對(duì)于那些演示實(shí)驗(yàn)效果不顯著或根本就無(wú)法進(jìn)行當(dāng)堂演示的實(shí)驗(yàn)有很好的補(bǔ)充作用。有些物理實(shí)驗(yàn)可以先讓學(xué)生通過(guò)抽象實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論，再讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這樣可以讓學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。

教師應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)演示的目的、實(shí)驗(yàn)演示的條件等因素靈活選擇實(shí)施實(shí)物實(shí)驗(yàn)或抽象實(shí)驗(yàn)。

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