關(guān)于對“反復(fù)彎折鐵絲做功”實驗的探討與改進(jìn)*

孫紅文

(南京市溧水區(qū)第一初級中學(xué) 江蘇 南京 211200)

物理實驗是物理概念的建立與規(guī)律形成的有效手段，教材中的實驗在物理教學(xué)中的作用舉足輕重.教師在引領(lǐng)學(xué)生觀察實驗、分析實驗和研究實驗的基礎(chǔ)上，要充分用好教材，努力挖掘?qū)W生的潛能，找到優(yōu)化實驗的突破口.筆者在“反復(fù)彎折鐵絲做功”的教學(xué)實踐中，從教與學(xué)兩個方面進(jìn)行了深入地調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)本實驗在實驗操作過程與所取得的實驗效果中出現(xiàn)了一些不足之處，現(xiàn)探討如下.

本實驗從教材編者的意圖可以看出有以下幾個優(yōu)點：取材較方便，操作較簡單，現(xiàn)象較明顯，對于大部分學(xué)生來說能取得一定的預(yù)期效果.操作過程描述與分析如下：雙手握住一段鐵絲反復(fù)彎折,如圖1所示，雙手對鐵絲施加力且在該力的方向上移動一定的距離，即手對鐵絲滿足做功的兩個必要條件.做了功，通過手感會發(fā)現(xiàn)鐵絲在彎折處的部分溫度會升高，說明其內(nèi)能增大了，由此縱觀整個實驗過程可以得出結(jié)論：對物(固)體做功，物(固)體的內(nèi)能增大，溫度升高，使得機械能向內(nèi)能發(fā)生轉(zhuǎn)化.

圖1 反復(fù)彎折鐵絲做功實驗

然而，俗話說得好“說得容易，做起來難”.在課堂教學(xué)的師生討論中，筆者發(fā)現(xiàn)對本實驗的探討遠(yuǎn)不止這么簡單.

1 教的方面

(1)器材的選購要求較高.實驗前，實驗員向?qū)W校申請購買一些鐵絲進(jìn)行物理實驗，學(xué)校負(fù)責(zé)采購的人員買來的鐵絲不是細(xì)而軟，就是粗而硬，根本無法全面開展實驗，效果較差.相信認(rèn)真做過本實驗的教師一定會發(fā)現(xiàn)這個不足之處，從筆者的調(diào)查還發(fā)現(xiàn)個別教師在進(jìn)行本實驗的教學(xué)時，采用了以“講”代“做”，包辦了此實驗.

(2)實驗的操作要求較高.實驗時，教師一定要正確指導(dǎo)學(xué)生操作要領(lǐng)——兩手捏緊中間部位，兩手之間的距離要適中，不能太遠(yuǎn)，也不能太近，彎折時盡可能地使鐵絲不要在手中打滑.學(xué)生如果操作不當(dāng)，效果也會差.特別是新教師，自認(rèn)為該實驗操作簡單，不必指導(dǎo)，而學(xué)生(特別是部分女生)恰恰不能成功體驗和完成.調(diào)查顯示：一個班級(45人)，在未經(jīng)老師操作指導(dǎo)下自主進(jìn)行實驗，能觀察、體驗到“鐵絲彎折處明顯發(fā)熱”的現(xiàn)象占80%，可見，實驗效果不是很好.

(3)實驗的安全性不足.一是：由于人與生俱來的自我保護(hù)意識，學(xué)生看到教材中的警示(如圖2所示標(biāo)志)就心生恐懼，心理上產(chǎn)生抵觸，難接受.如同在剛開始學(xué)習(xí)電學(xué)時，有些同學(xué)不敢觸碰電學(xué)實驗器材，問之原因，一個字“怕”，怕被“電”了.二是：學(xué)生操作不安全，有燙傷的可能，筆者認(rèn)為不是所有的實驗都讓學(xué)生體驗.

圖2 警示標(biāo)志

2 學(xué)的方面

教學(xué)實踐中，學(xué)生對本實驗提出了多處疑問.

(1)彎折時彎折處的溫度升高，是否由于手與鐵絲摩擦生熱傳遞給了彎折處?是否由于手心焐熱了鐵絲傳遞給了彎折處?

(2)鐵絲兩端較尖，如圖3所示，容易傷人，怎么辦?用較軟的銅絲替代行不行?

圖3 兩端較尖的鐵絲

(3)鐵絲彎折后產(chǎn)生的溫度過高，會燙手.能否不需要用手摸也能顯示溫度的變化?

(4)鐵絲反復(fù)彎折越快，溫度升得越高.鐵絲增大的內(nèi)能多少跟做功快慢是否有關(guān)?

(5)在同樣的環(huán)境與條件下進(jìn)行本實驗，粗鐵絲是否比細(xì)鐵絲升溫較明顯?

新課程理念倡導(dǎo)教學(xué)方式的多樣化，要變“教教材”為“用教材教”，以此呼喚教師們結(jié)合教學(xué)實際對教材進(jìn)行創(chuàng)造性地使用.由于教材實驗設(shè)計的缺憾，學(xué)生在觀察、實驗、制作和搜集數(shù)據(jù)以及分析數(shù)據(jù)等過程中，往往會遇到實驗現(xiàn)象、測量數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)(期望)不符的情況，此時正是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維、求真求實的科學(xué)精神、自我的保護(hù)意識等核心素養(yǎng)的大好時機.

因此，在同學(xué)們的建議下，解決問題(1)和(3)所采用的裝置如圖4和圖5所示，運用到了物理學(xué)中“轉(zhuǎn)化”的研究思想：將鐵絲一端固定在鐵架臺上，另一端上下反復(fù)彎折，在彎折處包裹一團棉花，并留一個凹巢，待溫度計插入后進(jìn)行準(zhǔn)確測量，由此來判斷鐵絲彎折處的內(nèi)能是否增大；或者用鐵絲的彎折處點燃白磷(但此方法取材、操作等不方便、不安全，污染也大).解決問題(2)所采用的裝置如圖6所示，在鐵絲的兩端用鉗子將其折彎，巧妙地防止了被鐵絲的尖端劃傷；其次，如用較軟的銅絲替代鐵絲，實驗效果沒有鐵絲那么明顯.學(xué)生提出的問題(4)、(5)可視為新的探究課題，可利用圖5裝置通過溫度計測得的具體數(shù)據(jù)加以驗證(備注：本實驗中使用的溫度計還可用溫度傳感器替代).

另外，圖4和圖5所示的實驗改進(jìn)還增強了實驗效果的可視性——通過溫度計的直觀顯示與觀察，有利地支持了實驗的結(jié)論，可分組實驗亦可進(jìn)行演示，實驗中用溫度計測得彎折處鐵絲上升溫度的理論值可以進(jìn)行如下計算.

圖4 解決問題(1)的裝置圖

圖5 解決問題(3)的裝置圖

圖6 解決問題(2)的裝置圖

設(shè)：在鐵絲的一端手柄處用力F=10 N，在該力的方向上通過的距離為s=10 cm，快速彎折10次，彎折處的鐵絲質(zhì)量m=2 g，鐵的比熱容c=0.46×103J/(kg·℃)，忽略熱損失等其他因素的影響.則彎折處的鐵絲升高的溫度為

Q=10W=10Fscos 0°=

10×10 N×0.1 m=10 J

此值雖比實際測量值稍大一些，但仍能說明此實驗改進(jìn)方案是可行的.

總之，物理實驗在初中物理中占據(jù)重要的地位，新課程標(biāo)準(zhǔn)中改革的大多數(shù)內(nèi)容都與實驗有關(guān)，物理實驗的重要性不言而喻.在教學(xué)中，教師需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)對象靈活采用教學(xué)方式，優(yōu)化實驗課堂的設(shè)計，積極為學(xué)生創(chuàng)造良好的實驗環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮诵乃仞B(yǎng).