提升物理實(shí)驗(yàn)的思考價(jià)值和趣味性的研究

張麗 張雄

摘 ? 要：在物理課堂上學(xué)生能夠積極參與、樂(lè)于探究、勇于實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容的趣味性起到了重要作用。將趣味物理問(wèn)題改裝為物理實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容的趣味性。經(jīng)過(guò)探究后，將兩個(gè)關(guān)于牛頓第三定律的趣味物理問(wèn)題改裝為物理實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：趣味;物理問(wèn)題;物理實(shí)驗(yàn);牛頓第三定律

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2015）9-0059-2

1 ? ?引 ? 言

物理學(xué)的形成與發(fā)展是依賴于實(shí)驗(yàn)的，而各種直觀、有趣、反人類直覺(jué)的實(shí)驗(yàn)也恰恰是物理這一門(mén)學(xué)科的獨(dú)到閃光點(diǎn)。因此，物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃尯闷嫘暮吞剿骶駨?qiáng)烈的學(xué)生情不自禁地喜歡上物理學(xué)科。

如今課堂中的物理實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是演示實(shí)驗(yàn)還是學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，總是不太能夠提起學(xué)生的興趣。所以，如何開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)并且將其趣味化是教師需要研究的重要課題。筆者通過(guò)研究認(rèn)為滿足以上條件的實(shí)驗(yàn)可以從趣味物理問(wèn)題中改裝而來(lái)，這樣的實(shí)驗(yàn)無(wú)論在趣味性、思考價(jià)值和難易程度上都很適合我們的中學(xué)生。

2 ? ?風(fēng)扇帆船模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 ? ?趣味物理問(wèn)題

有個(gè)人想乘帆船出海旅行，又怕碰上沒(méi)有風(fēng)的天氣，帆船無(wú)法行駛，他想在船尾安裝一臺(tái)風(fēng)扇（見(jiàn)圖1），對(duì)著帆船吹風(fēng)，這不就可以揚(yáng)帆旅行了嗎？你認(rèn)為他的想法是否可行，簡(jiǎn)單說(shuō)明原因。

2.2 ? ?物理原理

答案是他的想法不可行，無(wú)論風(fēng)力有多大，帆船不會(huì)動(dòng)。第一種解釋方法（牛頓第三定律）：因?yàn)榱Φ淖饔檬窍嗷サ?，風(fēng)扇給帆一個(gè)力的同時(shí)帆也給風(fēng)扇一個(gè)力，根據(jù)牛頓第三定律，我們知道這對(duì)作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上，而這兩個(gè)力最終作用在同一個(gè)物體上，即船上，所以船不會(huì)行駛。第二種解釋方法（動(dòng)量守恒定律）：將風(fēng)扇、帆、帆船看作一個(gè)整體，在沒(méi)有外力的作用下，系統(tǒng)動(dòng)量守恒，所以船不會(huì)動(dòng)。

2.3 ? ?自制風(fēng)扇帆船模擬實(shí)驗(yàn)教具

按照趣味問(wèn)題中的描述，自制風(fēng)扇帆船教具未嘗不可，但是重量、風(fēng)力大小等合適的風(fēng)扇不易直接找到，自制難度也不小。而且小船在水中的受力還存在水的阻力，上述物理原理分析其實(shí)沒(méi)有考慮到阻力因素。經(jīng)探究后發(fā)現(xiàn)可以用小車(chē)、氣球等簡(jiǎn)單材料的組合來(lái)模擬風(fēng)扇帆船，從而解決以上問(wèn)題。自制教具構(gòu)造圖見(jiàn)圖2。

所需材料：平板小車(chē)1輛、冰淇淋盒子1個(gè)、粗吸管1根、氣球1個(gè)、膠水或者細(xì)線。

（1）在冰淇淋盒子的側(cè)面剪出一個(gè)和吸管截面大小相同的圓孔。

（2）用膠水或者細(xì)線將裁剪好的冰淇淋盒子固定在小車(chē)上。

（3）把氣球口套在吸管上，并用細(xì)線扎緊氣球口，防止漏氣。

（4）對(duì)著吸管吹氣讓氣球膨脹，吹好氣后捏住氣球口，防止漏氣。

（5）將吸管口插入盒子的圓孔中后，松開(kāi)捏著氣球口的手，讓氣體沖擊對(duì)面的側(cè)面。

充滿氣體的氣球沿吸管?chē)姵瞿M風(fēng)扇，被開(kāi)圓孔面的對(duì)面相當(dāng)于帆，小車(chē)相當(dāng)于小船。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：無(wú)論氣球儲(chǔ)蓄多少氣體，都不能吹動(dòng)小車(chē)。

2.4 ? ?風(fēng)扇帆船模擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的運(yùn)用

從教學(xué)內(nèi)容上來(lái)說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)既可用于牛頓第三定律，也可以用于動(dòng)量守恒定律。對(duì)于教學(xué)環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，如果用于新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，可以成為有趣的問(wèn)題情境，從而激發(fā)他們的求知欲。用于新課教學(xué)環(huán)節(jié)，它可以定性說(shuō)明作用力和反作用力的大小關(guān)系和一個(gè)系統(tǒng)在不受外力情況下的動(dòng)量變化情況。在教學(xué)小結(jié)環(huán)節(jié)追問(wèn)：“怎樣改裝可以使帆船行駛？”起到知識(shí)應(yīng)用拓展的作用。

3 ? ?浮力與其反作用力

3.1 ? ?趣味物理問(wèn)題

初中物理有一道經(jīng)典題目：把一杯水放在秤上，然后手指伸進(jìn)水里（手指未碰到杯底，水未溢出），問(wèn)秤的示數(shù)怎么變。這與另外一個(gè)謎題很類似：如果鳥(niǎo)在卡車(chē)內(nèi)，鳥(niǎo)在飛翔的時(shí)候卡車(chē)的重量會(huì)比鳥(niǎo)靜止在車(chē)廂的地板上時(shí)輕嗎？結(jié)果是鳥(niǎo)的翅膀?qū)ㄜ?chē)車(chē)廂施加的向下的力，與靜止時(shí)鳥(niǎo)的重量相等。

3.2 ? ?物理原理

答案是“變大了”。一種解釋（液體壓強(qiáng)原理）：根據(jù)液體壓強(qiáng)公式，因?yàn)樗簧?，所以?duì)杯底的水壓增大了，從而杯底受到的壓力也就增大了。另一種更好的解釋（牛頓第三定律）：你的手指受到了一個(gè)豎直向上的浮力，水自然也就受到了一個(gè)豎直向下的反作用力，這個(gè)力的大小就等于手指排開(kāi)水的重量。因此，你可以把手占據(jù)的位置替換成一堆水?？梢?jiàn)，杯子里的水量相當(dāng)于是憑空增加了，秤的示數(shù)自然也就增加了。

3.3 ? ?浮力與其反作用力的測(cè)量裝置

所需材料：天平1臺(tái)、燒杯2個(gè)、彈簧秤1個(gè)、重物1個(gè)、細(xì)線1根、水。

實(shí)驗(yàn)原理：（1）用天平測(cè)量物體對(duì)液體壓力的方法：兩杯質(zhì)量相等的水放在天平上，天平平衡，見(jiàn)圖3。在左側(cè)水中浸入重物時(shí)，由于液體受到壓力，左側(cè)天平下降。撥動(dòng)游碼，使天平重新恢復(fù)平衡，此時(shí)游碼的讀數(shù)就是物體對(duì)液體的壓力大小，見(jiàn)圖4。

（2）彈簧秤測(cè)量物體所受浮力的方法：用彈簧秤分別測(cè)量重物靜止在空氣中和水中所需的拉力，兩次的示數(shù)之差即為物體所受的液體浮力大小。

3.4 ? ?定量探究相互作用力大小關(guān)系

牛頓第三定律教學(xué)中需要定量研究作用力和反作用力大小的關(guān)系。目前教師使用的探究實(shí)驗(yàn)大概有兩類，一類是通過(guò)讓學(xué)生將兩個(gè)彈簧秤勾在一起拉，分別探究處于靜止不動(dòng)和向同一方向緩慢運(yùn)動(dòng)兩種情況下兩個(gè)彈簧秤的示數(shù);一類是通過(guò)使用計(jì)算機(jī)和力傳感器探究?jī)蓚€(gè)物體之間的撞擊力。筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是：

（1）探究在靜止?fàn)顟B(tài)下相互作用力的大小關(guān)系

為了探究物體在靜止?fàn)顟B(tài)，作用力和反作用力的大小關(guān)系，我們需要探究一個(gè)物體以不同大小的力作用在另一個(gè)物體上時(shí)，其得到的反作用力是多少。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：通過(guò)改變物體浸入體積實(shí)現(xiàn)浮力大小的改變，測(cè)量出每次其反作用力的數(shù)值。

（2）探究在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下相互作用力的大小關(guān)系。

當(dāng)一個(gè)物體壓向另一個(gè)物體或者一個(gè)物體將另一個(gè)物體拉動(dòng)，這樣的情況下，學(xué)生的直覺(jué)認(rèn)為被壓或被拉的那一方施加的力小于另一方。為了打破這樣的直覺(jué)錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)：首先將重物用細(xì)線拴住，然后將重物完全浸沒(méi)于水中，調(diào)節(jié)天平，使平衡，剪斷細(xì)線，觀察小物體減速下落過(guò)程中天平是否依然平衡。如果依然平衡，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的情況下，相互作用力依然滿足相等關(guān)系。

以上兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了相互作用力的大小“總是”相等。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭衛(wèi)東.低成本物理實(shí)驗(yàn)的巧妙設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2012，30（7）：1.

[2]百度文庫(kù).物理漫畫(huà)──奇思妙想[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/e99e08d076eeaeaad1f33063.html.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）