讓智慧飛揚(yáng)起來(lái) 讓科學(xué)流行起來(lái)

董芳芳

摘 要：物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。為此，在課堂上教師經(jīng)常會(huì)利用實(shí)驗(yàn)教具來(lái)輔助教學(xué)。演示實(shí)驗(yàn)正是為物理概念、物理規(guī)律的教學(xué)服務(wù)的，在物理教學(xué)中起著十分重要的作用。本文詳細(xì)介紹了筆者在“外力作用下的振動(dòng)”這節(jié)課中的有關(guān)演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)，挖掘生活中的物理現(xiàn)象，從生活走向物理，讓物理回歸生活。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn)；探究；外力作用下的振動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）3-0074-4

物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理學(xué)的基本定律都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出來(lái)的。物理學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，同樣，物理教學(xué)也離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中常用的實(shí)驗(yàn)形式是演示實(shí)驗(yàn)，它是為配合教學(xué)內(nèi)容由教師操作演示，學(xué)生觀察其現(xiàn)象而創(chuàng)設(shè)的，深受學(xué)生歡迎。演示實(shí)驗(yàn)的作用不言而喻，它能啟發(fā)學(xué)生思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，化抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，把要研究的物理現(xiàn)象清楚地展示在學(xué)生面前；它既能引導(dǎo)學(xué)生觀察，又能啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考，配合講授使學(xué)生認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律，常能達(dá)到事半功倍的效果。筆者以“外力作用下的振動(dòng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，介紹演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用體會(huì)。

1 教材分析

“外力作用下的振動(dòng)”是人教版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修3-4第十一章《機(jī)械振動(dòng)》第五節(jié)的內(nèi)容。教材首先介紹了振動(dòng)物體的固有頻率的概念，再?gòu)哪芰康慕嵌确治鲎枘嵴駝?dòng)，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，最后利用實(shí)驗(yàn)探究了受迫振動(dòng)的振幅與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，從而認(rèn)識(shí)了共振現(xiàn)象。

2 學(xué)情分析

學(xué)生通過(guò)前幾節(jié)對(duì)機(jī)械振動(dòng)的學(xué)習(xí)，已經(jīng)知道了振幅、周期、頻率等描述機(jī)械振動(dòng)概念的含義，對(duì)機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化有了初步認(rèn)識(shí)。學(xué)生在生活中已經(jīng)接觸過(guò)關(guān)于共振的一些現(xiàn)象，但認(rèn)識(shí)僅停留在表面，沒(méi)有進(jìn)行深入的分析。另外，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)頻率、振幅和音調(diào)、響度之間的關(guān)系，這些都為本節(jié)課實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

本節(jié)課的主要任務(wù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握物體在做受迫振動(dòng)時(shí)其頻率跟驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系，以及受迫振動(dòng)的頻率與物體固有頻率接近時(shí)振動(dòng)的特點(diǎn)。中學(xué)生有強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，對(duì)親身感受參與的活動(dòng)很感興趣，因此，在教學(xué)過(guò)程中選取一些操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、直觀且生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)，能夠更有效地引導(dǎo)學(xué)生理解阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)及共振，從而能解釋生活中常見(jiàn)的共振現(xiàn)象。

3 教學(xué)目標(biāo)

3.1 知識(shí)與能力

（1）知道固有頻率、阻尼振動(dòng)的概念，阻尼振動(dòng)圖像的特點(diǎn)。

（2）知道什么是受迫振動(dòng)，知道受迫振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系。

（3）知道什么是共振以及發(fā)生共振的條件，并能解釋常見(jiàn)的共振現(xiàn)象。

3.2 過(guò)程與方法

（1）設(shè)置問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生的思考，讓學(xué)生掌握解決問(wèn)題的思維方法。

（2）探究和驗(yàn)證過(guò)程中掌握觀察、總結(jié)、用數(shù)學(xué)處理物理問(wèn)題的方法。

（3）經(jīng)歷科學(xué)規(guī)律探究的過(guò)程、認(rèn)識(shí)探究的意義、嘗試探究的方法、培養(yǎng)探究的能力。

3.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀

（1）通過(guò)受迫振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究興趣。

（2）通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)合作精神和積極參與的意識(shí)。

（3）體會(huì)自然現(xiàn)象背后的奇妙規(guī)律，培養(yǎng)求知欲及學(xué)以致用的精神。

4 教學(xué)方法

主要通過(guò)激趣導(dǎo)學(xué)法、實(shí)驗(yàn)探究法、觀察思考法、精講點(diǎn)撥法，體現(xiàn)“物理來(lái)源于生活，服務(wù)于生活”的教學(xué)理念。

5 實(shí)驗(yàn)器材

龍洗、音叉、受迫振動(dòng)演示儀、自制共振演示儀、共振音響。

6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

6.1 趣味實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入

【實(shí)驗(yàn)演示】 故作神秘，為學(xué)生帶來(lái)古代的臉盆，在盆里放少量的水，教師雙手快速有節(jié)奏地摩擦龍洗的雙耳，盆中的水會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，甚至噴出水柱。請(qǐng)學(xué)生觀察神奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而這節(jié)課的學(xué)習(xí)和探究，可以揭開(kāi)這一奇妙現(xiàn)象的神秘面紗。

【設(shè)計(jì)目的】 通過(guò)趣味實(shí)驗(yàn)引入新課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂的氣氛。

6.2 積累基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)

（1）固有頻率

【實(shí)驗(yàn)演示】 取出一支音叉（如圖1所示），敲打使其發(fā)聲。引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)聽(tīng)聲音的音調(diào)。改變敲打力度，引導(dǎo)學(xué)生聽(tīng)音調(diào)有沒(méi)有發(fā)生變化。換另一個(gè)振動(dòng)頻率不同的音叉，重復(fù)上述操作。

【設(shè)計(jì)目的】 通過(guò)分析可得同一個(gè)音叉兩次敲打音調(diào)相同，與敲打的力度無(wú)關(guān)，而不同音叉的音調(diào)不同。從初中學(xué)習(xí)過(guò)的音調(diào)和頻率的關(guān)系入手分析，即每一個(gè)音叉都有其固定的振動(dòng)頻率，這個(gè)頻率與振幅無(wú)關(guān)，從而引出固有頻率的概念。

（2）阻尼振動(dòng)

【實(shí)驗(yàn)演示】 取出一支音叉，敲打使其發(fā)聲，引導(dǎo)學(xué)生注意聽(tīng)聲音的變化。學(xué)生可以聽(tīng)到音叉的聲音響度在減小，但音調(diào)并沒(méi)有變化。并提出問(wèn)題：根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得到什么結(jié)論？你能否畫出音叉振動(dòng)的圖像？

【設(shè)計(jì)目的】 引導(dǎo)學(xué)生分析，音叉音調(diào)不變，說(shuō)明振動(dòng)的頻率不變，響度變小，說(shuō)明振幅變小，根據(jù)這一特點(diǎn)畫出音叉振動(dòng)的圖像，進(jìn)而引出阻尼振動(dòng)的概念。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出阻尼振動(dòng)的特點(diǎn)——振幅盡管在減小，但其振動(dòng)頻率不變，它是由振動(dòng)系統(tǒng)決定的，也就是剛才所學(xué)的固有頻率。

（3）受迫振動(dòng)

啟發(fā)思考：阻尼振動(dòng)最終要停下來(lái)，怎樣才能產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)呢？引導(dǎo)學(xué)生思考回答，要產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，需要給系統(tǒng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，為了更好地研究這個(gè)問(wèn)題，借助于如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，請(qǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)器材的結(jié)構(gòu)。

【實(shí)驗(yàn)演示】 將受迫振動(dòng)演示儀置于講臺(tái)上。以一定頻率的力搖動(dòng)搖桿，請(qǐng)學(xué)生仔細(xì)觀察物塊振動(dòng)的頻率和搖桿的頻率。增大（或減小）搖桿的頻率，請(qǐng)學(xué)生再次仔細(xì)觀察。

【設(shè)計(jì)目的】 引導(dǎo)學(xué)生，引發(fā)層層思考，既而引導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)力、受迫振動(dòng)的學(xué)習(xí)，并且總結(jié)出受迫振動(dòng)的特點(diǎn)——受迫振動(dòng)的頻率總等于驅(qū)動(dòng)力的頻率，與系統(tǒng)的固有頻率無(wú)關(guān)，這是本節(jié)課的一個(gè)重點(diǎn)?？梢越柚}加強(qiáng)對(duì)受迫振動(dòng)的鞏固理解。

6.3 研究共振現(xiàn)象

啟發(fā)思考：受迫振動(dòng)的頻率和固有頻率沒(méi)有關(guān)系，那受迫振動(dòng)的振幅和它的固有頻率有無(wú)關(guān)系呢？

【實(shí)驗(yàn)演示】 將如圖3所示的自制共振桿演示儀置于講臺(tái)上，請(qǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)器材。依次撥動(dòng)幾個(gè)桿，讓學(xué)生觀察不同長(zhǎng)度的桿的振動(dòng)頻率，長(zhǎng)桿頻率低，短桿頻率高，長(zhǎng)度相同的桿振動(dòng)頻率相同。然后，用力撥動(dòng)某一桿A，并提問(wèn)：

A桿做自由振動(dòng)，為什么其他幾個(gè)桿也都振動(dòng)起來(lái)？（原因是A桿通過(guò)擺動(dòng)片給其余桿一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，使其他桿做受迫振動(dòng)，所以這些桿的振動(dòng)頻率都和A桿一樣。）

請(qǐng)學(xué)生繼續(xù)觀察，為什么做受迫振動(dòng)，幾根桿的振幅卻不一樣？哪些桿振幅相對(duì)大一些，哪些相對(duì)小一些？問(wèn)題可能出在哪里？抓住關(guān)鍵，桿的固有頻率不一樣。

【設(shè)計(jì)目的】 通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)，得出驅(qū)動(dòng)力的頻率等于系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振。教師和學(xué)生一起畫出共振曲線，借助例題加強(qiáng)對(duì)共振的理解。

6.4 結(jié)合生活，升華意義

（1）解釋龍洗現(xiàn)象

【原理】 當(dāng)兩手搓雙耳時(shí)，相當(dāng)于產(chǎn)生兩個(gè)振源，當(dāng)振源的振動(dòng)頻率十分接近龍洗的固有頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，使得振動(dòng)最強(qiáng)烈，使水濺起。

（2）聲音的共鳴

【原理】 兩個(gè)音叉的固有頻率是相同的，當(dāng)一個(gè)音叉發(fā)聲時(shí)會(huì)與另一個(gè)音叉產(chǎn)生共振現(xiàn)象（如圖4）。

（3）風(fēng)的共振：播放視頻。

（4）趣味實(shí)驗(yàn)：共振音響（如圖5）。

【原理】 音響的底座是一個(gè)振動(dòng)源，將音響放在固有頻率與所播放音樂(lè)頻率相近的界面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，出現(xiàn)“讓桌子一起唱歌”的奇妙現(xiàn)象。

（5）歷史上的共振：塔庫(kù)馬大橋。

【解釋】 當(dāng)風(fēng)從橋的側(cè)面吹過(guò)來(lái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期性的作用力，當(dāng)作用力的頻率與大橋本身的固有頻率相等時(shí)，大橋發(fā)生共振，導(dǎo)致橋損壞。

6.5 課堂小結(jié)

利用一問(wèn)一答的形式對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)小結(jié)，主要強(qiáng)化剛學(xué)的概念，可以通過(guò)習(xí)題來(lái)加強(qiáng)鞏固，這樣有助于學(xué)生加深對(duì)本節(jié)所學(xué)內(nèi)容的理解和記憶。（下轉(zhuǎn)第80頁(yè)）

（上接第76頁(yè)）

7 教學(xué)反思和評(píng)價(jià)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。筆者認(rèn)為要想讓學(xué)生真正地學(xué)好物理，必須讓每個(gè)物理概念都能在真實(shí)的情境中理解，而不是只停留在文字表面。演示實(shí)驗(yàn)正是為物理概念、物理規(guī)律服務(wù)的，它是物理教學(xué)的一個(gè)重要手段，在物理教學(xué)中起著十分重要的作用。當(dāng)教師把現(xiàn)象直觀、結(jié)果精彩的物理實(shí)驗(yàn)在課堂上展示給學(xué)生時(shí)，學(xué)生的心靈將產(chǎn)生極大的震撼，從而激起學(xué)生探索物理知識(shí)的勇氣和濃厚的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生一旦對(duì)物理產(chǎn)生了興趣，就會(huì)積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，我們的教學(xué)就能達(dá)到事半功倍的效果。不僅課本中涉及到的實(shí)驗(yàn)要做，而且還要想方設(shè)法在教學(xué)過(guò)程中多設(shè)計(jì)一些演示實(shí)驗(yàn)。

本節(jié)課從學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)每一個(gè)概念都設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行引入，這樣既可以使抽象的物理知識(shí)變得形象直觀，突破教學(xué)難點(diǎn)，又可以培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力。課堂里的實(shí)驗(yàn)器材操作簡(jiǎn)單，符合學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程。為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更突出，筆者還自制了共振桿演示器，演示效果很好，現(xiàn)象很明顯（自制教具的過(guò)程其實(shí)也是使自己更深入理解知識(shí)的一個(gè)過(guò)程）。

另外，本節(jié)課還設(shè)計(jì)了趣味實(shí)驗(yàn)，如龍洗，還有最近比較流行的共振音響，這些新奇的事物能極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了課堂效率。最后，利用本節(jié)課所學(xué)的知識(shí)解釋生活中的共振現(xiàn)象（如風(fēng)的共鳴，洗衣機(jī)的抖動(dòng)等），充分挖掘生活中的物理現(xiàn)象，從生活走向物理，從物理走向生活。

創(chuàng)新精神和動(dòng)手能力是一個(gè)民族的靈魂，物理教學(xué)應(yīng)該讓實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)課堂，讓智慧飛揚(yáng)，讓科學(xué)流行起來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]魯世明.新課改下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探討[J].物理教學(xué)探討，2011，29（5）：23-25.

[2]楊旭峰.優(yōu)化高中物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一次有益嘗試——“外力作用下的振動(dòng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略[J].物理通報(bào)， 2012（1）：81-82.

[3]李紅偉.高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生興趣的研究[D].武漢：華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

（欄目編輯 鄧 磊）