物理課堂中對實驗失誤的利用與應對

邵 正 馬蜀生

(1. 永康中學,浙江 永康 321300； 2. 淮南一中，安徽 淮南 232000)

物理課堂中對實驗失誤的利用與應對

邵 正1馬蜀生2

(1. 永康中學,浙江 永康 321300； 2. 淮南一中，安徽 淮南 232000)

本文對課堂實驗失誤進行了分類,分別介紹了對不同的實驗失誤如何利用與應對的教學策略．

實驗失誤； 利用； 應對

在物理課堂上,實驗失誤了,打亂了教學計劃,降低了課堂效率,有時還帶來尷尬,教師們恐避之而不及,然而“常在河邊走,哪有不濕鞋”,既然總有失敗的時候,就要去分析和面對．教學實驗和科學實驗本質上是一致的,科學家有時卻十分期待實驗結果與預期有差別,丁肇中就說過“做實驗物理要對意外的現(xiàn)象有充分的準備”,其實就如很多科學發(fā)現(xiàn)在實驗“失誤”中產(chǎn)生一樣,課堂實驗的“失誤“也常常能為我們帶來意想不到的教學效果,教師們大可不必談之色變,反而應該深入研究加以利用．

課堂教學中的實驗失誤,可以是教師有意失誤也可能是無意失誤,這兩類都可能使實驗成功或失敗,教學時我們就這幾類失誤可以用不同的策略加以運用和應對．

1 有意失誤造成實驗失敗

學習液體壓強時很多教材和練習都會應用圖1的實驗,一般這么認為，a口深度最大,水壓越大射出的水柱最遠,c口最淺,水壓最小,射出的水柱最近，現(xiàn)象和原理好像都很清楚明了．但某教師做這個實驗時卻出現(xiàn)了如圖2的現(xiàn)象,出水口a的射程sa小于出水口b的射程sb,這樣一個教師精心設計的“失敗”的實驗,極大地引起了學生的興趣,引導學生繼續(xù)深究與水柱射程相關的其他因素．其實水柱的運動可看成是一個平拋運動,假設水柱a的射程為sa,a的離地距離是L2,a離水面的距離是L1,出水速度是v,出水到落地時間為t,則有

整理上述幾式得a的射程為

水面與地面的距離是L2+L1,而任一瞬間L2+L1是個定值,所以當L2=L1時射程最遠.設k為水面與地面的中點,a離k的距離為ha,b離k的距離為hb，則有

ha>hb時，sa

hasb;

ha=hb時,sa=sb.

因此，出水口離k越近則射程越遠,反之則越近．而不是通常認為的出水口越深，水壓越大,射程越遠．

圖3

為什么平時做這個實驗時總是出現(xiàn)如圖1的實驗結果呢?因為實驗時教師往往手拿著一個容器(離地面較遠)來演示,如圖3,hb往往遠大于ha,則sb

這樣一個“失敗”的實驗,既引導了學生對平拋運動的深入研究,又能體會生活中的物理,更難能可貴的是,讓學生對敢于質疑、敢于探究的科學本質有深刻的感悟,培養(yǎng)學生實事求是的科學精神．

2 有意失誤使實驗成功

圖4 覆杯實驗

3 無意失誤造成實驗失敗

有意失誤是教師設計好的,是受控的,相比之下無意失誤完全出乎教師意料,往往事發(fā)突然,常讓教師措手不及．例如一次公開課課堂上有位教師要演示如圖5所示的實驗,大試管裝滿水,將小試管插入,兩試管都倒置,開口向下,放開小試管，小試管能自動上升.這是一個很有趣的實驗,也許這位教師之前已經(jīng)成功過很多次,看上去很有信心,但當時教師將試管倒置之前先造了一下勢:先將大試管裝滿水,然后將小試管靜置其上,由其自由下沉,而后靜止,引導學生說: “看小試管由于重力向下運動,那現(xiàn)在我將它們倒過來,開口向下,小試管將會如何呢?”學生們都說小試管會掉下來,教師看學生已被“引入歧途”就將試管倒了過來,卻發(fā)現(xiàn)小試管不上也不下,就這樣靜止了,當時課堂也仿佛這枚小試管一樣,聽課教師、學生和上課的教師都瞬間懵了,上課的教師靈機一動,說“一次實驗沒有符合預期,也許是實驗的偶然性,為了排除偶然性我們應該重復實驗” 可當時教師重做了兩次,小試管都“必然”靜止,教師徹底無解只能含含糊糊地糊弄過去了．其實遇到這樣的場面教師首先要冷靜,小試管靜止一定有靜止的道理的,教學中既然安排了這個實驗,小試管的受力情況教師應該是胸有成足的,現(xiàn)在無非是合力向上變?yōu)楹狭榱愣?大可以籍此失誤趁著學生被激發(fā)的好奇心,將試管的受力情況好好地分析分析,可能有人會擔心,剛剛已經(jīng)失誤了,要是分析到中途又解不出,豈不是更難堪?這樣想的教師還是把教師當作教學的中心,其實學生是很喜歡這樣的意外的,他們很好奇.科學家也很喜歡這樣的意外,科學家之所以是科學家就是他們一直都保持著對自然的好奇心,而作為一個教授科學的物理教師,我們不但要教學生物理知識,還要教科學研究的方法,更要讓學生體會科學精神,遇到問題不去研究不去質疑,用一句實驗的偶然性去搪塞,或用幾句幽默的語言來掩飾,貌似有教學藝術,其實卻與科學精神背道而馳，楊振寧曾說自己的導師很忙,有時沒有備課就在黑板上和學生一起解方程,常寫了整塊黑板,卻發(fā)現(xiàn)解錯了,每一次錯誤,學生們都不覺得少學了什么,反而跟著大師的思路體驗了頂級科學家最原生態(tài)的思維方法,能和導師合作解決問題,即使沒有成功,也總有不少收獲．雖然我們的情況有所不同,但科學實驗出現(xiàn)意外,并且一時解決不了,是很正常的,沒什么不好意思的,相反逃避和掩飾問題才是應該批評的．輕浮的小聰明,比不了守拙的大智慧,而且如果教師當時真的帶著學生分析,不難發(fā)現(xiàn):其實小試管既有可能向上運動,也可能向下運動,還可能靜止不動．

圖5 大小試管實驗

將大小試管倒立,小試管的運動情況是由它受到的合力決定的,設此時小試管底離大試管口的距離設為ha′, 小試管質量為m,以小試管為研究對象,則小試管受到向上的力只有一個,就是大氣壓力，為

F向上=p0S.

大試管口的氣壓為p0,所以小試管底的水壓為p0-ρgha′,則

F向下=(p0-ρgha′)S+mg，

F向上-F向下=p0S-(p0-ρgha′)S-mg=ρgha′S-mg.

開始時小試管正立在水中自然下沉而后靜止時,受力平衡,試管內外的大氣壓(設為p0)可以抵消,設小試管的橫截面積為S,水密度為ρ,水面離試管底的距離為ha,則有

mg=ρgSha，

F向上-F向下=ρgha′S-mg=ρgSha′-ρgSha=ρgS(ha′-ha).

當ha′>ha時,合力向上,小試管向上運動．當ha′=ha時,合力為0,小試管靜止．當ha′

上課時教師先讓小試管自然下沉,再將試管倒轉,自然是ha′=ha,合力為0,小試管靜止．此時若要讓試管向上運動,只要往上輕壓一下小試管即可．

4 從無意失誤到實驗成功

無意的失誤,既失控又失敗,肯定令人懊惱,但如果我們引領學生從失敗走向成功,反而使教學效果能事半功倍．而且有所失,必有所得,先失誤再糾正往往能比一次就做成功有更大的收獲．

例如學生第一次做小孔成像的實驗時,因為對孔的大小心里沒譜,總有學生因此失敗,讓學生開個小點的孔重做,還不如好好利用這個失誤,問學生孔開太大了,如果不能重做,應該怎么處理呢?學生會想到用紙板來遮,在遮孔的時候就會出現(xiàn)各種教學中教師本來就求之不得的情況和現(xiàn)象:例如遮多些遮少些,像的大小一樣嗎?亮度一樣嗎?遮了孔的一側,像一部分會消失嗎?用紙條遮在中間產(chǎn)生兩個小孔,又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?遮蔽小孔的不同部分使小孔的形狀發(fā)生改變,像的形狀會變嗎?亮度改變嗎?等等．這些問題其實都是學生在小孔成像問題的學習中會遇到的困難,如果能借這個實驗中無意的失誤,好好利用,“變廢為寶”,就解決了教學中一個個難點．

物理課堂教學確實要精心準備，減少實驗失誤,提高課堂效率．但真要出現(xiàn)了失誤,也是科學研究和科學教學中難免會發(fā)生的．既來之,則安之．歷史上很多失誤成就了科學研究,課堂中善加利用,實驗失誤也可以成就我們的課堂教學,有時甚至可以故意制造“失誤”,來為教學服務．

1 王紹符,劉升，張喜榮.覆杯子實驗的科學解釋[J].物理通報, 2003(5):26-28.

2017-06-03)