例談物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)規(guī)律學(xué)習(xí)的策略

楊柯

摘要：物理規(guī)律的學(xué)習(xí)是物理核心素養(yǎng)提升的重要組成和基礎(chǔ)，物理規(guī)律是物理學(xué)理論體系中最核心的內(nèi)容，通過(guò)學(xué)生親身感受或操作過(guò)的物理實(shí)驗(yàn)獲得物理現(xiàn)象、認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生理解物理規(guī)律的背景、意義及適用條件，對(duì)物理規(guī)律的掌握尤為重要。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；物理規(guī)律；策略

一、物理規(guī)律的涵義和特點(diǎn)

物理規(guī)律反映了物理對(duì)象、現(xiàn)象、物理過(guò)程在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的規(guī)律，反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的各個(gè)因素之間的本質(zhì)聯(lián)系，揭示了一定條件下某些物理量之間內(nèi)在的、必然的聯(lián)系。

1. 物理規(guī)律的涵義

物理規(guī)律可分為物理定律、物理定理、物理原理、物理定則、物理公式等。與物理概念相比，物理規(guī)律是人們對(duì)物理客體更高層次的認(rèn)識(shí)，是理性認(rèn)識(shí)階段產(chǎn)物。物理規(guī)律客觀反映自然的性質(zhì)，是物理知識(shí)機(jī)構(gòu)的支柱。物理規(guī)律中最重要的是物理定律，它是人們對(duì)物理現(xiàn)象或物理過(guò)程進(jìn)行大量觀察、實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行分析、比較、歸納得出的物理量間關(guān)系，提出假說(shuō)，再在定律中驗(yàn)證，才建立起來(lái)的規(guī)律。如牛頓第二定律。而從物理規(guī)律出發(fā)，進(jìn)行推理后再驗(yàn)證成為規(guī)律。一般叫定理或原理，如動(dòng)能定理、動(dòng)量定理。

2.物理規(guī)律的特點(diǎn)

物理規(guī)律有三個(gè)主要特點(diǎn)：第一，物理規(guī)律是觀察、實(shí)驗(yàn)、物理思維和數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的產(chǎn)物。如牛頓第一定律的建立，雖然以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，但這一定不能直接由實(shí)驗(yàn)得出，他是實(shí)驗(yàn)、推理和想象結(jié)合的產(chǎn)物。第二，物理規(guī)律反映有關(guān)物理量之間的必然聯(lián)系，任何一個(gè)物理規(guī)律都是以一些概念為基礎(chǔ)的，物理規(guī)律把物理概念之間的一定關(guān)系用語(yǔ)言邏輯或數(shù)學(xué)邏輯表達(dá)出來(lái)。如庫(kù)侖定律，就是點(diǎn)電荷、力、電荷量、距離等概念組成的。它表明了研究對(duì)象（點(diǎn)電荷）受到的靜電力與研究對(duì)象（點(diǎn)電荷）所帶的電荷量與它們之間距離定量的因果關(guān)系。第三，物理規(guī)律有近似性和局限性。由于物理學(xué)研究的對(duì)象和過(guò)程，都是經(jīng)科學(xué)抽象后得到的一定條件下能近似反映主觀實(shí)際的理想模型和理想過(guò)程；又由于物理實(shí)驗(yàn)不可避免造成誤差，因此物理規(guī)律具有近似性和局限性。

二、物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)物理規(guī)律學(xué)習(xí)的策略

美國(guó)教育家杜威認(rèn)為：科學(xué)教育不僅僅要讓學(xué)生學(xué)習(xí)大量的知識(shí)，更重要的是學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過(guò)程或方法。物理實(shí)驗(yàn)是新課改物理教學(xué)的基礎(chǔ)，高中物理中的觀察演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生通過(guò)親身經(jīng)歷和體驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)物理事實(shí)獲得具體而又明確的認(rèn)識(shí)，這正是理解掌握物理規(guī)律的基礎(chǔ)。如何通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的學(xué)習(xí)，筆者介紹以下幾種策略。

1 .實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的策略

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的策略就是讓學(xué)生通過(guò)自己做實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證物理規(guī)律，從而加深對(duì)物理規(guī)律的領(lǐng)會(huì)、理解的有效策略。許多物理規(guī)律，學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理前是并不知道的。將這些內(nèi)容記住并不難，難的是理解它們本質(zhì)含義，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)定性或定量驗(yàn)證物理規(guī)律，無(wú)疑會(huì)加深對(duì)規(guī)律的理解。

【案例】驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

（1）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的討論、器材的選擇（略）

（2）實(shí)驗(yàn)原理：重物做自由落體的過(guò)程中，重力勢(shì)能與動(dòng)能之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化。若任意兩個(gè)時(shí)刻的動(dòng)能與重力勢(shì)能總和相等，即EK1+EP1=EK2+EP2，則驗(yàn)證了物體做自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒。

（3）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，明確操作過(guò)程注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)步驟（略）

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理： 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格并記錄。計(jì)量重力勢(shì)能的改變時(shí)，只要測(cè)量出過(guò)程越過(guò)的高度，結(jié)合當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣燃纯?。?jì)量動(dòng)能改變時(shí)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器──根據(jù)打出的紙帶求初、末狀態(tài)的瞬時(shí)速度（依據(jù)“勻變速運(yùn)動(dòng)的平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度”）。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，任意兩個(gè)時(shí)刻的動(dòng)能與重力勢(shì)能總和相等，即EK1+EP1=EK2+EP2，即物體在自由落體過(guò)程中機(jī)械能守恒。

讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中去驗(yàn)證規(guī)律，涉及到物理核心素養(yǎng)中的處理信息數(shù)據(jù)，基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，非常有助于學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的學(xué)習(xí)和掌握。

2 .實(shí)驗(yàn)探究的策略

實(shí)驗(yàn)探究的策略就是預(yù)先提出某種假設(shè)，然后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種假設(shè)的正確性，從而得到新的物理規(guī)律的策略。

【案例】探究功與速度變化的關(guān)系

（1）提出問(wèn)題，如何測(cè)橡皮筋對(duì)小車做的功？

（2）學(xué)生討論： 橡皮筋對(duì)小車做的功不能直接測(cè)定，可用倍數(shù)關(guān)系表示各次所做的功。（實(shí)驗(yàn)原理的探究）

（3）提出問(wèn)題，哪些因素會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性？

（4）學(xué)生討論：橡皮筋之間的差異性較大，阻力影響，速度的測(cè)定。（影響實(shí)驗(yàn)因素的探究）

（5）提出問(wèn)題，如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？

（6）學(xué)生猜想，可討論w與v，w與v，w與v2，w與v3的關(guān)系。（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理探究）

（7）學(xué)生分組探究，得出結(jié)論如下：

①w與v的關(guān)系，很難判斷其圖像性質(zhì)；

②w與v的關(guān)系，圖像類似拋物線；

③w與v2的關(guān)系，圖像為直線；

④w與v3的關(guān)系，關(guān)系復(fù)雜，很難判斷圖像性質(zhì)；

（8）實(shí)驗(yàn)結(jié)論， 橡皮筋對(duì)小車做的功與小車速度的二次方成正比。

在這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，涉及到物理核心素養(yǎng)中提出問(wèn)題，形成猜想和假設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力，通過(guò)一次次假設(shè)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，不斷分析、歸納，最終得出w∝v2，讓學(xué)生在掌握物理規(guī)律的同時(shí)感受到了成功的喜悅。

3.實(shí)驗(yàn)中等效代替的策略

等效代替在物理實(shí)驗(yàn)中有較多的應(yīng)用，如研究合力與分力的關(guān)系中，合力和分力的等效。碰撞中的動(dòng)量守恒，水平位移S與初速度V0成正比關(guān)系，把測(cè)速度轉(zhuǎn)換為測(cè)水平位移的等效。

【案例】探究求合力的方法endprint

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄亢狭头至Φ年P(guān)系

（2）提出問(wèn)題，如何求兩個(gè)力的合力？

（3）學(xué)生討論：如果一個(gè)力產(chǎn)生的效果和兩個(gè)力產(chǎn)生的效果相同，那么這個(gè)力就可以認(rèn)為是二個(gè)力的合力。（等效代替策略）

（4）提出問(wèn)題，如何表示分力和合力產(chǎn)生了相同的效果？

（5）學(xué)生討論：可以用拉伸橡皮條的方式來(lái)展示產(chǎn)生相同的效果，分別用二個(gè)力和一個(gè)力把橡皮條拉伸到同一位置o，可說(shuō)明此時(shí)大小、方向都達(dá)到了等效。

（6）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的討論、器材的選擇、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（略）

（7）實(shí)驗(yàn)操作：分別用一把彈簧秤將橡皮條結(jié)點(diǎn)拉伸到同一點(diǎn)0，記下力F的方向和大小、力F1、F2的方向和大小，作出力F、F1、F2的的圖示，然后尋找F與F1、F2的關(guān)系。

（8）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，合力和分力遵循平行四邊形定則。

又如，在研究物體平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向的運(yùn)動(dòng)中，利用兩相同小球在同一高度同時(shí)水平拋出小球和自由下落小球，發(fā)現(xiàn)2球同時(shí)落地。得出平拋運(yùn)動(dòng)物體在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)等效于自由落體運(yùn)動(dòng)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握等效代替策略并內(nèi)化生成，遷移到高中物理其它知識(shí)規(guī)律中，會(huì)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)帶來(lái)非常大的幫助。

4.實(shí)驗(yàn)中控制變量的策略

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用控制變量的策略很多，如平行板電容器的電容、氣態(tài)方程的提出、部分電路歐姆定律的探究等。如果學(xué)生將這種實(shí)驗(yàn)中控制變量的策略應(yīng)用好，那么學(xué)生在學(xué)習(xí)其他物理規(guī)律往往會(huì)起到事半功倍的作用。

【案例】單擺振動(dòng)周期跟那些因素有關(guān)的探究

（1）提出問(wèn)題：決定單擺振動(dòng)周期的因素有那些？

（2）學(xué)生猜想：?jiǎn)螖[振動(dòng)周期可能與振幅、擺球質(zhì)量、擺長(zhǎng)、重力加速度有關(guān)？

（3）提出問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出單擺振動(dòng)周期與周期的關(guān)系？

如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出單擺振動(dòng)周期與擺球質(zhì)量的關(guān)系？

如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出單擺振動(dòng)周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系？

如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出單擺振動(dòng)周期與重力加速度的關(guān)系？

（4）學(xué)生思考：可采用控制變量的策略

（5）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：

①對(duì)比實(shí)驗(yàn)： A組：當(dāng)擺長(zhǎng)為1m時(shí)，使振幅A1=8cm，測(cè)出單擺的周期Ta

B組：當(dāng)擺長(zhǎng)為1m時(shí)，使振幅A2=4cm，測(cè)出單擺的周期Tb

②對(duì)比實(shí)驗(yàn)：C組：當(dāng)擺長(zhǎng)為1m時(shí)，使擺球質(zhì)量為m，測(cè)出單擺的周期Tc

D組：當(dāng)擺長(zhǎng)為1m時(shí)，用橡皮泥均勻粘在擺球周圍，測(cè)出單擺的周期Td

③對(duì)比實(shí)驗(yàn)：E組：當(dāng)擺長(zhǎng)為1m時(shí)，使擺球質(zhì)量為m，測(cè)出單擺的周期Te

F組：當(dāng)擺長(zhǎng)為0.64m時(shí)，使擺球質(zhì)量為m，測(cè)出單擺的周期Tf

④對(duì)比實(shí)驗(yàn)：G組：當(dāng)擺長(zhǎng)為1m時(shí)，擺球用鐵球質(zhì)量為m，測(cè)出單擺的周期Tg

H組：在G組單擺擺球的平衡位置下方放一磁鐵（相當(dāng)于重力加速度增大），測(cè)出單擺的周期Th

各組通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析比較后，總結(jié)得到：?jiǎn)螖[的振動(dòng)周期與單擺的振幅、擺球的質(zhì)量無(wú)關(guān)，與單擺的擺長(zhǎng)、重力加速度有關(guān)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單擺周期跟擺長(zhǎng)、重力加速度有關(guān)，跟擺球質(zhì)量及振幅無(wú)關(guān)，這讓學(xué)生感到非常驚奇。實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也檢驗(yàn)了原先頭腦中的想法正確與否，這本身也有探究、驗(yàn)證和判決的思想。

5 .實(shí)驗(yàn)明確物理規(guī)律（現(xiàn)象）適用條件的策略

物理規(guī)律反映了物理現(xiàn)象、物理過(guò)程在一定條件下發(fā)生、發(fā)展和變化的普遍現(xiàn)象，它必然有 一定的適用條件和適用范圍。因此，要讓學(xué)生明確掌握所使用物理規(guī)律的的適用條件、物理現(xiàn)象產(chǎn)生條件和適用范圍，這是很重要的。而這些條件、范圍往往能在實(shí)驗(yàn)探究中發(fā)現(xiàn)?！景咐刻骄扛袘?yīng)電流產(chǎn)生的條件

（1）回憶舊知，演示閉合電路部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生電流（略）

（2）探究實(shí)驗(yàn)1，如圖1所示

圖1

① 器材介紹，②方案設(shè)計(jì)（略），③學(xué)生探究，操作記錄。如下表1，

實(shí)驗(yàn)操作表針擺動(dòng)方向

開關(guān)閉合瞬間

開關(guān)斷開瞬間

開關(guān)閉合時(shí)，滑動(dòng)變阻器不動(dòng)

開關(guān)閉合時(shí)，迅速滑動(dòng)變阻器滑片

（3）提出問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)1并沒有部分導(dǎo)體切割磁感線，由表針的偏轉(zhuǎn)可知，產(chǎn)生了感應(yīng)電流，是前面的知識(shí)有誤，還是另有玄機(jī)？（激發(fā)探究欲望，引發(fā)思維認(rèn)知沖突）

（4）探究實(shí)驗(yàn)2，如圖2所示

圖2

①器材介紹，②方案設(shè)計(jì)（略），③學(xué)生探究，操作記錄。如下表2，

磁鐵的動(dòng)作表針擺動(dòng)方向磁鐵的動(dòng)作表針擺動(dòng)方向

N極插入線圈S極插入線圈

N極停在線圈中S極停在線圈中

N極從線圈中抽出S極從線圈中抽出

（5）小組討論、歸納

（6）成果交流（教師指導(dǎo)，多媒體演示動(dòng)畫：條形磁鐵插入線圈時(shí)磁通量的變化）

（7）師生共同分析實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2概況得出結(jié)論：穿過(guò)閉合電路磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

科學(xué)家為了更好的展現(xiàn)他們的發(fā)現(xiàn)，常常將問(wèn)題簡(jiǎn)單化，用來(lái)排除一切可能影響實(shí)驗(yàn)效果的干擾，然后根據(jù)已經(jīng)被理想化的物理模型來(lái)證實(shí)他們的假象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生明白這一點(diǎn)非常重要。

三、結(jié)語(yǔ)

上述是筆者在教學(xué)中形成的一些粗淺的認(rèn)識(shí)和不成熟的做法，物理規(guī)律學(xué)習(xí)策略很多，我們正確合理地選擇培養(yǎng)學(xué)生物理規(guī)律學(xué)習(xí)策略，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握和應(yīng)用物理規(guī)律，并生成讓其終身受用的高效的學(xué)習(xí)策略，進(jìn)而學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，奠定持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李珍臣.淺談物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理規(guī)律教學(xué)的作用[J].物理教學(xué)探討.2006（02）

[2] 司德平.劉應(yīng)敏.高中物理中的認(rèn)知策略初探[J].中學(xué)物理教學(xué)參考.2008（05）

[3] 魯世明.新課改高中物理規(guī)律學(xué)習(xí)策略的探討[J].中學(xué)物理.2010（09）

[4] 普萊斯頓·D·費(fèi)得恩. 應(yīng)用認(rèn)知科學(xué)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)[M]. 華東師大出版社2006（09）

[5]林欽，陳峰，宋靜.關(guān)于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的中學(xué)物理教學(xué)的思考[J].課程.教材.教法，2015（12）

[6] 陳從先.基于核心素養(yǎng)的物理高考立意的分析[J].物理教學(xué)探討.2017（01）

（作者單位：浙江省紹興市新昌縣鼓山中學(xué) 312500）endprint