例談實驗題對“學(xué)力”的提升

蘇安良 李 琳

（陜西商洛市商州區(qū)中學(xué) 陜西 商洛 726000）

“學(xué)力”.本文著重分析實驗題設(shè)置中的“思維要素”

和“知識梯度”，以及解答實驗題對“提升學(xué)力”的啟示.

1 明確實驗題的“思維要素”是提升“學(xué)力”的關(guān)鍵

實驗題是實驗操作過程的情景再現(xiàn)，是各種知識要素的精縮，是對實驗?zāi)芰蛯W(xué)習(xí)程度的檢閱，是對思維能力和探究能力及遷移能力的考查.因此，做實驗題時，思維要素（即各種能力和與實驗有關(guān)的各種理論，包括實驗背景及實驗注意事項）必須周全，切忌支離破碎.

【例1】某實驗小組利用圖1所示裝置研究杠桿的機械效率，實驗的主要步驟如下：

第1步：用輕繩懸掛杠桿一端的O點作為支點，在A點用輕繩懸掛總重為G的鉤碼，在B點用輕繩豎直懸掛一個彈簧測力計，使杠桿保持水平.

第2步：豎直向上拉動彈簧測力計緩慢勻速上升（保持O點位置不變），在此過程中彈簧測力計的讀數(shù)為F，利用刻度尺分別測出A，B兩點上升的高度為h1，h2.

回答下列問題：

（1）杠桿機械效率的表達(dá)式為η＝______（用已知或測量的物理量符號表示）；

（2）本次實驗中，若提升的鉤碼重一定，則影響杠桿機械效率的主要因素是______；

（3）若只將鉤碼的懸掛點由A移至C，O和B位置不變，仍將鉤碼提升相同的高度，則杠桿的機械效率將______（選填“變大”“變小”或“不變”）.

圖1

“思維要素”釋義：第（1）問考查的是機械效率的含義，只要能正確理解有用功、總功及機械效率的概念，就能寫出正確答案，即

第（2）問考查的是影響機械效率大小的因素.一般來說由公式可知，機械的自重G機越小機械效率越大，或提升的物體越重機械效率越大.而本問的前提是“提升的鉤碼重一定”，因此學(xué)生只要掌握上述公式的推導(dǎo)和含義很容易想到影響杠桿機械效率的主要因素是杠桿的自重.

第（3）問是對學(xué)生思維能力和分析能力的進一步升華，將探究過程引向深入：杠桿的機械效率與鉤碼的懸掛點有無關(guān)系？分析這個問題，學(xué)生必須在大腦中構(gòu)建幾何圖像，如果提升鉤碼的高度不變，將鉤碼的懸掛點向左移，則杠桿的重心上升的高度必將減小，在做相同有用功的前提下，額外功減小了，導(dǎo)致總功減小，杠桿的機械效率將變大.

還可以探究杠桿的機械效率與彈簧測力計的懸掛點有無關(guān)系.

圖2

如圖2所示，設(shè)杠桿的重心在C點，當(dāng)C點上升的高度為h0時，A，B兩點上升的高度為h1，h2，F(xiàn)，G機，G的力臂分別為l1，l2，l3，由杠桿平衡條件得

由幾何關(guān)系得

所以有

將以上關(guān)系代入式（1）中得

由此式可知，杠桿機械效率的大小與杠桿自重G機，懸掛的重物G及重物懸掛的位置有關(guān)，而與重物上升的高度及彈簧測力計的懸掛位置無關(guān).

“提升學(xué)力”評價：本題考點來自課本，但設(shè)計新穎，并且問題設(shè)置螺旋升華.對學(xué)生的能力提出了較高的要求，有效地考查了學(xué)生的分析、推理、歸納、遷移等綜合能力，同時也突出了對數(shù)學(xué)知識的靈活應(yīng)用能力.那些在學(xué)習(xí)中靠死記硬背得到的知識，根本不可能對上題應(yīng)對自如.對于那些學(xué)有余力的學(xué)生還可以改變題目再探究，如“若彈簧測力計始終垂直杠桿向上拉物體，以上各問結(jié)果又如何？”“如果杠桿的質(zhì)量分布不均勻，將杠桿的兩端調(diào)換一下，杠桿的機械效率將怎樣變化，此時影響杠桿機械效率的因素有哪些？”這樣深入探究，思維不斷輻射，加強了針對性，減少了學(xué)習(xí)精力的耗散，不僅可以提升學(xué)生的思維能力，也可以使知識不斷合理升華，提升“學(xué)力”，達(dá)到融會貫通之目的，在應(yīng)用中才能左右逢源、游刃有余.

2 理解實驗題的“知識梯度”是提升“學(xué)力”的根本

物理實驗題往往在設(shè)置上是一個循序漸進的過程，是按照層級推進的一種系統(tǒng)性.設(shè)計階梯型的螺旋上升的知識體系，隨著學(xué)生能力的提高逐步加強掌握的高度和難度.只有這樣，學(xué)生的思維方法才能不斷增多，能力才會不斷提高，才會從“要我學(xué)”向“我要學(xué)”轉(zhuǎn)化.

【例2】用細(xì)線拴住一端粗，一端細(xì)的實心胡蘿卜并懸掛起來，靜止后胡蘿卜的軸線水平，如圖3所示.在拴線處沿豎直方向?qū)⒑}卜切成A，B兩段.A，B哪段重些呢？甲、乙、丙三個同學(xué)提出各自的猜想：

生甲：A較重；生乙：B較重；生丙：A，B一樣重.

圖3

（1）請設(shè)計一個簡易實驗，判斷A，B的輕重.

所用器材：______________；

操作方法：_____________；

現(xiàn)象及結(jié)論：_______________.

（2）為進一步研究類似A，B輕重的問題，某同學(xué)在一根有等間距刻度的均勻杠桿兩側(cè)掛上每個質(zhì)量都相等的鉤碼進行實驗.杠桿靜止于水平狀態(tài)的三次實驗情境如圖4所示.

1）根據(jù)圖4的實驗，可以判斷______同學(xué)的猜想是正確的（填“甲”“乙”或“丙”）.

2）根據(jù)圖4的實驗，該同學(xué)得出結(jié)論：只要滿足“阻力×阻力作用點到支點的距離＝動力×動力作用點到支點的距離”，杠桿就能平衡.

①這個結(jié)論是否正確？

②用圖5所示的裝置，怎樣通過實驗來說明該結(jié)論是否正確.

圖4

“知識梯度”釋義：

第①問根據(jù)所給物理情境定性判斷誰重，判斷的方法很多，學(xué)生答題的空間較大，思維處于開放階段.學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的實驗方案尋找器材寫出操作方法，并預(yù)測現(xiàn)象及結(jié)論，例如將A，B放在調(diào)好的天平兩端，下沉的那端重等.

第②問的三幅圖實質(zhì)是探究杠桿平衡條件時具有代表性的實驗，也是學(xué)生必做的實驗.但這個實驗的背景是未掛物體時必須調(diào)整杠桿在水平位置平衡，其目的是便于讀力臂和忽略杠桿自身重對實驗的影響.可見實驗結(jié)論和實驗過程還是有一定差距的，如何跨越這個差距，試題只設(shè)計一幅圖（圖5），且未做啟示，要求學(xué)生針對這幅圖的情境集中思維，說明驗證過程.這一問對能力的要求很高，那些在學(xué)習(xí)中未透徹理解知識的學(xué)生是很難答出的.事實上這幅圖是將一個力的大小設(shè)定，讓彈簧測力計從不同方向作用于同一點，以實際數(shù)據(jù)定量驗證“阻力×阻力作用點到支點的距離＝動力×動力作用點到支點的距離”這個結(jié)論是錯誤的.本題層層遞進，步步升華，從定性到定量，從思維發(fā)散到思維集中，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣是顯而易見的.

“提升學(xué)力”啟示：通過對上述實驗題的分析可知，要正確解答實驗題，提升“學(xué)力”，必須注意以下幾點.

（1）掌握實驗流程，重視基本概念

圖5

實驗的一般流程是，確定實驗?zāi)康模伎紝嶒灧椒?，選擇實驗器材，組裝與操作，數(shù)據(jù)處理，得出結(jié)論，分析討論，實驗評價.通過例2可以看出，做實驗題時需明確以下兩點：一是抓住概念，如力臂的概念（從支點到力的作用線的垂直距離）.二是理解規(guī)律，如杠桿的本質(zhì)是什么？“杠桿平衡”的含義是什么？杠桿的平衡條件是什么？將杠桿調(diào)到水平位置平衡為什么可以忽略杠桿自身重？

（2）分析問題錯因，正確遷移知識

解題時若能明確例2中為什么會得出“阻力×阻力作用點到支點的距離＝動力×動力作用點到支點的距離”的結(jié)論，就會完全掌握解題的要領(lǐng).由于不理解“點到線與點到點的距離有什么差別”，或更本質(zhì)地說不能聯(lián)系“力的作用點與力的作用方向不同都可以改變力的作用效果”對研究杠桿平衡條件的內(nèi)在影響，就可能認(rèn)為“阻力×阻力作用點到支點的距離＝動力×動力作用點到支點的距離”這個觀點正確.有人認(rèn)為這是學(xué)生數(shù)學(xué)能力差引起的，顯然是片面的.可見正確遷移物理知識和數(shù)學(xué)知識是判斷“是非”的基礎(chǔ).

（3）多維設(shè)計操作，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

楊振寧說“加強發(fā)散思維的訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的‘重點工程’.”如例2第①問中操作方案有，用天平測質(zhì)量大小，用彈簧測力計測量重力，用排水法測量體積，放在輕質(zhì)杠桿兩端判斷，壓強測量法（用切開的面壓海綿，觀察陷入的深度）及利用漂浮判斷（放在漂浮在水面的盒子中，觀察盒子浸入水中的深度）等等.

（4）體驗思維方法，學(xué)會自主探究

學(xué)習(xí)物理不僅是掌握物理知識，更重要的是學(xué)會物理學(xué)的思想和方法，在掌握物理知識的基礎(chǔ)上，嘗試主動發(fā)現(xiàn)問題，自主探究問題，歸納分析結(jié)果，進而產(chǎn)生內(nèi)心體驗，提升學(xué)習(xí)興趣，提高觀察事物和分析事物的實踐能力及獨立解決問題能力.例2中，從問題情境出發(fā)，從特殊到一般，以及多種操作方法的獲得都充分說明多次實驗（測量）才能說明一種物理現(xiàn)象具有某種規(guī)律，只有這樣才能避免以偏概全的簡陋方法，從而消除學(xué)習(xí)中的障礙.例2中，學(xué)生通過實驗不僅明確了力的三要素中任何一個要素變化都會影響力的作用效果，還明白了在一定條件下杠桿能在非水平狀態(tài)平衡，從而實實在在地掌握了杠桿平衡條件.同時控制變量法、多次測量法、分析歸納法、演繹法等物理思維方法也得到了訓(xùn)練.