知其然，知其所以然
——以《探究二力平衡條件》實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例

李培如

（中山市東鳳鎮(zhèn)第二中學(xué)，廣東 中山）

《探究二力平衡條件》實(shí)驗(yàn)是初中物理中一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)。在各種版本的教材中，處理該實(shí)驗(yàn)的方案各不相同，有些教材使用卡片、木塊、小車為研究對象；對研究物體施力有些是采用懸空的方式利用彈簧測力計(jì)拉，有些是利用鉤碼來施力；有些教材利用旋轉(zhuǎn)的方式來改變力的作用是否在同一條直線上；一些教材將物體剪成兩部分來研究是否同一個(gè)物體。每種教材都是列舉實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生按部就班，只要完成所列舉的實(shí)驗(yàn)步驟就能得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論，探究也就完成了。學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)為什么選擇這個(gè)研究對象，為什么要設(shè)計(jì)這樣的實(shí)驗(yàn)步驟，為什么要采取這種實(shí)驗(yàn)方法等，都不知所然，談不上理解實(shí)驗(yàn)。學(xué)生沒有機(jī)會思考，教師也沒有引導(dǎo)學(xué)生思考，實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癫捎昧硪环N方法來進(jìn)行。由于為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，沒有思考和挖掘?qū)嶒?yàn)過程中蘊(yùn)藏的物理知識、物理方法，所以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、學(xué)習(xí)能力、思考能力都沒有得到提高，對后期的知識學(xué)習(xí)和運(yùn)用形成隱形的障礙。

在《探究二力平衡條件》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，我對這個(gè)探究的過程加以改進(jìn)，期望在探究的過程中，能啟發(fā)學(xué)生的思維，提升學(xué)生的能力。在探究的過程中，我重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行思考，激發(fā)學(xué)生的思維，讓學(xué)生除了知道如何做實(shí)驗(yàn)，也要懂得為什么這樣操作，發(fā)散思維思考實(shí)驗(yàn)還能怎樣做。

我提供實(shí)驗(yàn)器材：鉤碼若干、帶鉤木塊、帶鉤小車、卡片、彈簧測力計(jì)兩個(gè)、兩端帶滑輪的長木板一個(gè)、玻璃板一個(gè)、鐵架臺兩個(gè)、滑輪兩個(gè)。

接著，我向?qū)W生提出三個(gè)問題：（1）實(shí)驗(yàn)中，我們選擇哪個(gè)物體作為研究對象？（2）我們采用何種方式對研究對象施加兩個(gè)力？（3）由于存在多個(gè)可能的影響因素，我們?nèi)绾沃弧捌茐摹逼渲幸粋€(gè)因素？

學(xué)生首先想到的研究對象就是鉤碼，選擇彈簧測力計(jì)施力。

圖1

圖2

圖3

師：如何呈現(xiàn)研究對象是處于平衡狀態(tài)呢？

生：當(dāng)把兩個(gè)50 g的鉤碼掛在彈簧測力計(jì)下時(shí)，如圖1，可以發(fā)現(xiàn)拉力F=1 N，根據(jù)公式G=mg可以計(jì)算出物體的重力也是1 N，所以F=G時(shí)物體可以處于平衡狀態(tài)之靜止?fàn)顟B(tài)。

師：你準(zhǔn)備如何破壞兩個(gè)力大小相等呢？

生：當(dāng)用手向下拉鉤碼，如圖2，使F≠G時(shí)松手，鉤碼會向上運(yùn)動，不能平衡；當(dāng)向上用手托住鉤碼，如圖3，使F≠G時(shí)松手，鉤碼會向下運(yùn)動，不能平衡。

學(xué)生用熟悉的兩個(gè)器材鉤碼和彈簧測力計(jì)，通過讀拉力和計(jì)算重力的方法得出F=G時(shí)，物體可以平衡的結(jié)論。而要“破壞”“兩個(gè)力大小相等”這一條件時(shí)，分析重力大小不能改變，只能通過用手拉或者托鉤碼的方法來改變拉力F的大小，使之與G不相等，同時(shí)保證了這兩個(gè)力方向相反、作用在同一直線上。多好的思路呀！

圖4

圖5

師：如何只破壞兩個(gè)力方向相反這一條件呢？

生：保證兩個(gè)力的大小不變并且作用在同一條直線，只能改變力的方向，好像很難做到！

師：你認(rèn)為彈簧測力計(jì)的拉力和鉤碼的重力，哪一個(gè)容易改變力的方向？

生：當(dāng)然是拉力。因?yàn)橹亓Φ姆较蚩偸秦Q直向下。

師：那我們?nèi)绾胃淖兝Φ姆较颍瑫r(shí)要保證拉力與重力作用在同一直線上？

生：哦，我明白了！應(yīng)該將拉力的方向改為向下。

學(xué)生倒轉(zhuǎn)彈簧測力計(jì)，彈簧測力計(jì)豎直向下拉鉤碼，如圖4所示。

師：如何只破壞兩個(gè)力作用在同一直線上這一條件？

生：斜著拉鉤碼，拉力就與重力不在同一直線了。

師：如果這樣操作，除了不在同一直線上，還有其他條件發(fā)生改變嗎？

生：還有力的方向發(fā)生了改變，不能滿足兩個(gè)力的方向相反的條件了。

學(xué)生經(jīng)過分析，認(rèn)為重力無法改變方向，拉力F必須豎直向上且作用線不能通過重心，只有這兩個(gè)力平行這種可能。學(xué)生提出可以用如圖5所示方案實(shí)驗(yàn)。將鉤碼打橫，用手拉住鉤碼，使彈簧測力計(jì)示數(shù)為1 N，松手后鉤碼不能平衡。

到這里為止，探究實(shí)驗(yàn)可以說已經(jīng)完成了，也可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論了。但我繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生：這只是研究了物體在豎直方向上的平衡，能否設(shè)計(jì)出驗(yàn)證物體在水平方向上平衡也需要滿足這三個(gè)條件呢？

學(xué)生利用原先器材，改為水平方向施力后，發(fā)覺對鉤碼施力不方便，于是學(xué)生提出用帶鉤木塊作為研究對象，但是在“破壞”“兩個(gè)力大小相等”這一條件時(shí)，發(fā)現(xiàn)F1=1.7 N，F(xiàn)2=2.3 N時(shí)木塊也能靜止，如圖6。

圖6

師：兩邊的力大小不相等，但物體也能保持靜止?fàn)顟B(tài)，那是不是力的大小不影響物體的平衡？

生：兩個(gè)力大小不等，它們的作用效果不同，抵消1.7 N后，木塊還受到0.6 N向左邊的拉力，所以物體應(yīng)當(dāng)向左邊運(yùn)動。

師：為什么不向右邊運(yùn)動，反而保持靜止?fàn)顟B(tài)？

生：說明有一個(gè)向左作用的力阻礙物體運(yùn)動。對了，這個(gè)力應(yīng)該是摩擦力，是木板對木塊的摩擦力，說明水平方向上，物體受到三個(gè)力的作用。

找到問題所在，那如何減小摩擦力呢？有些學(xué)生提出換用小車為研究對象或換用玻璃板來代替長木板，最后通過討論，大家認(rèn)為滾動摩擦比滑動摩擦更小，所以換用小車為研究對象。實(shí)際上，這種改變還是存在問題，但老師沒有點(diǎn)明，讓學(xué)生繼續(xù)探究，延續(xù)自己的思路，讓學(xué)生在問題的解決中“頓悟”。

當(dāng)用小車代替木塊在破壞“作用在同一直線上”時(shí)，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度小的話小車也會靜止，或雖然扭轉(zhuǎn)角度大時(shí)，小車不能平衡但也不能回到兩個(gè)力在同一直線上的狀態(tài)。如圖7。

圖7

師：不在同一直線上也能平衡，是不是之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論都是錯誤的？可能是什么原因造成的？

生：扭過小車后，輪子在木板上橫向移動，它們之間的摩擦又變成滑動摩擦，摩擦力太大，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

師：那有什么方法進(jìn)一步減小摩擦呢？能不能“消除”摩力？

生：改變接觸面，用玻璃杯替代木板。

師：那也只能減小摩擦，因?yàn)閮蓚€(gè)物體還是相互接觸。大家能否從摩擦力的產(chǎn)生條件思考？

生：對，把小車與木板分離。

于是有學(xué)生提出懸掛小車，發(fā)現(xiàn)很難讓小車在兩個(gè)“等大、反向、共線”力的作用下平衡，學(xué)生分析是小車重力太大，于是自然提出用卡片來代替小車。

當(dāng)學(xué)生用卡片作為研究對象，用彈簧測力計(jì)來施加拉力時(shí)，無論如何都難以做到兩個(gè)力的大小不相等。就算學(xué)生采用另一種施力方式：一個(gè)彈簧測力計(jì)不用力，另一個(gè)彈簧測力計(jì)用力拉，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)彈簧測力計(jì)的示數(shù)還是相等。偶爾出現(xiàn)兩個(gè)力不相等，也只是暫態(tài)的，很難看清楚。

師：為什么出現(xiàn)這種現(xiàn)象？

生：原因可能是這兩個(gè)拉力是一對相互作用力。

師：那又如何改變其中一個(gè)力的大小呢？

經(jīng)過分析學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該用鉤碼來拉卡片，這樣就可以通過增減鉤碼使兩邊的拉力大小不相等了。

師：使用鉤碼給卡片施力，那鉤碼又是如何產(chǎn)生水平拉力的效果呢？

生：改變力的方向。

師：如何改變？鉤碼的重力是豎直向下的。

生：一端水平拉著卡片，掛鉤碼的一端下垂，相互成90°。

師：何種方式能讓這條細(xì)線改變方向，成90°？

這樣，雖然定滑輪的知識還沒學(xué)習(xí)，但經(jīng)過學(xué)生的思考，學(xué)生明白定滑輪的作用，從而將卡片懸掛在帶滑輪的長木板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖8。

圖8

師：在水平的方向上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可觀性不強(qiáng)，大家能否將這個(gè)實(shí)驗(yàn)改成在豎直的平面上進(jìn)行呢？

生：將木板豎起來不是可以了嗎？

師：大家看，這樣能改變用力的方向嗎？滑輪失去了作用。

生：那利用兩個(gè)鐵架臺，把滑輪吊起來，再通過繩子把卡片掛上，就可以懸空在豎直平面上實(shí)驗(yàn)了。

又是一個(gè)神來之筆，學(xué)生不斷地思考，不斷完善實(shí)驗(yàn)，效果越來越好，越來越接近“目標(biāo)”！

在用卡片設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中，還遇到一個(gè)問題，如何只“破壞”兩個(gè)力作用在同一直線上這一條件呢？

生1：將卡片向下拉，然后松手。

生2：那不行，兩個(gè)力的方向不是相反了。應(yīng)該扭轉(zhuǎn)卡片。

師：扭轉(zhuǎn)卡片，要扭轉(zhuǎn)到什么程度？

生：扭到兩條繩子平行就行。

同學(xué)提出方向相反不在同一直線上的兩個(gè)力只有是平行關(guān)系，如圖9，學(xué)生在之前的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上容易解決問題。

圖9

圖10

師：但同學(xué)們思考，是不是將卡片扭轉(zhuǎn)90°，兩個(gè)拉力就一定平行？

學(xué)生經(jīng)老師的提醒，發(fā)覺兩個(gè)定滑輪的高度一樣，扭轉(zhuǎn)卡片后，兩條繩子是斜著平行的，不是在水平方向上平行。

生：把定滑輪的高度調(diào)整一邊高，一邊低，兩者的高度差為卡片的高度。

以上探究的是物體在豎直方向或者水平方向上的平衡，利用調(diào)整滑輪的高度后的裝置，也恰好向?qū)W生驗(yàn)證了斜的一直線上，同樣滿足平衡的條件。

科學(xué)探究是中小學(xué)科學(xué)教育的核心內(nèi)容之一，無論是國家課程標(biāo)準(zhǔn)，還是新近發(fā)布的《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》，都反復(fù)強(qiáng)調(diào)了科學(xué)探究能力的重要性。貌似簡單的《探究二力平衡條件》實(shí)驗(yàn)，蘊(yùn)藏著非常豐富的認(rèn)知資源，值得更深入地科學(xué)探究。層層深入、不斷修正，這恰恰反映了科學(xué)探究的本質(zhì)。

什么樣的知識適合探究、如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究、如何探究方案中的邏輯關(guān)系等，這是我們一線教師必須要考慮的問題，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和思考能力。教師不僅要教給學(xué)生知識，還應(yīng)該教給學(xué)生方法，提升學(xué)生的思維水平和創(chuàng)新能力。知其然，知其所以然。學(xué)生不僅要知道實(shí)驗(yàn)怎么做，也應(yīng)該了解實(shí)驗(yàn)為什么要這樣做，還應(yīng)該去思考該實(shí)驗(yàn)還可以怎么做，這些將內(nèi)化為學(xué)生自身的科學(xué)探究能力。