通過中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

張利國 王丹 史紅姝

摘 要：用氣墊導(dǎo)軌和光電門來替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶等，既提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，也提高了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的興趣.在尋找速度變化和功之間的關(guān)系過程中，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維水平.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維水平的重要載體，物理教師在這方面可以探索研究的空間還很大.

關(guān)鍵詞：功與速度變化;探究;科學(xué)思維

1 通過中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維

2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)“科學(xué)思維”進(jìn)行了界定，并把科學(xué)思維分為模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素，這就要求教師在備課、上課的過程中，不能僅僅著眼于“雙基”教育，更要關(guān)注基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，關(guān)注分析綜合、推理論證等方法在教學(xué)環(huán)節(jié)中的具體運(yùn)用，關(guān)注學(xué)生能否基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判.

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在物理教學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)占據(jù)了極其重要的地位.物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能幫助學(xué)生理解復(fù)雜抽象的物理概念與知識(shí)，還能讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中把生活實(shí)際抽象成物理模型，學(xué)會(huì)科學(xué)探究，鍛煉學(xué)生科學(xué)思維能力，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力.因此，在高中物理教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)值得利用與研究的途徑.

在高中物理教學(xué)中，雖然實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)多方面的目標(biāo)起著重要的作用，但是由此斷定實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)所有目標(biāo)都是高效的顯然是不合理的.高中物理實(shí)驗(yàn)，包括演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，存在著用自己以往的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，反而強(qiáng)化了他們的原有認(rèn)知的現(xiàn)象.如何利用實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)思維，實(shí)驗(yàn)中可以培養(yǎng)哪些要素，尚需要我們進(jìn)行探索.

2 教材分析

探究功與速度變化的關(guān)系實(shí)驗(yàn)位于人教版教材必修2第七章第6節(jié)，在第4節(jié)和第5節(jié)中，分別探討的是功和重力勢能、彈性勢能的關(guān)系，從整章的安排來看，從本節(jié)課開始，將要研究和討論功和動(dòng)能之間的關(guān)系，本節(jié)課是動(dòng)能定理得出的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，是對(duì)功能關(guān)系進(jìn)行再討論的前奏.

教材中推薦的實(shí)驗(yàn)器材是小車、木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等，如圖1所示.首先，因?yàn)橛玫降钠鞑呐c牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)器材相同，導(dǎo)致學(xué)生缺乏新奇感，探究的熱情不足.其次，對(duì)紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和處理的過程，需要學(xué)生的耐心和細(xì)致，占用了本可以進(jìn)行思維培養(yǎng)的時(shí)間.為了提升同學(xué)們的探究熱情，也為了更有效地進(jìn)行科學(xué)思維的培養(yǎng)，我們把氣墊導(dǎo)軌引入課堂，利用Excel表格進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，較好地完成了本實(shí)驗(yàn).

對(duì)比探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)可知，一般我們把“原因”作為自變量，把“結(jié)果”作為因變量，即力、質(zhì)量的變化導(dǎo)致了加速度的改變，因此作圖的時(shí)候，我們繪制的是a-F圖線等.本節(jié)課，雖然教材給出的實(shí)驗(yàn)題目叫做“探究功與速度變化的關(guān)系”，但是探究的是速度變化與做功的關(guān)系，即速度變化是“結(jié)果”，做功是“原因”，課堂應(yīng)該從“速度變化“的情境開始.

3 課堂環(huán)節(jié)

3.1 新課導(dǎo)入

取4～5張A4白紙，找一個(gè)學(xué)生側(cè)舉，用圖2所示的彈弓，裝上彈丸，靠近白紙，依次在兩側(cè)各放一根、兩根和三根皮筋的情形下，看能否打穿白紙.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在彈弓兩側(cè)各放一根皮筋時(shí)，彈丸在第一張白紙上留下了痕跡，但連一張白紙都不能打穿;放兩根皮筋時(shí)，能打穿2-3張;放三根皮筋時(shí)，能把這幾張白紙全部打穿，并且丸孔清晰可見.

問題：三次實(shí)驗(yàn)，白紙出現(xiàn)了不同程度的損壞，是什么導(dǎo)致了這種差別？

回答：彈丸的速度依次增大，速度不同導(dǎo)致了對(duì)紙張損壞程度的不同.

問題：什么原因?qū)е铝藦椡杷俣鹊牟煌?/p>

回答：橡皮筋對(duì)彈丸做功的不同.

3.2 實(shí)驗(yàn)中需要測量的物理量

3.2.1 滑塊的速度

用圖3所示的裝置，根據(jù)公式v=dt，我們可以測得滑塊經(jīng)過光電門的瞬時(shí)速度大小，其中d為遮光片的寬度，t為遮光時(shí)間，由數(shù)字毫秒計(jì)讀出.

3.2.2 對(duì)滑塊做的功

根據(jù)功的公式W=Fs，我們需要測量滑塊所受的合外力與滑塊的位移.位移可以由氣墊導(dǎo)軌上所附的刻度尺直接讀出，如圖4所示.在把氣墊導(dǎo)軌調(diào)平，且桶和桶內(nèi)砝碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量的情形下，合外力可以認(rèn)為是由桶和桶內(nèi)的砝碼的重力提供，如圖5所示.

3.3 探究過程

3.3.1 保證桶和桶內(nèi)砝碼質(zhì)量不變，改變光電門位置

3.3.1.1 探究速度變化與做功的關(guān)系

將滑塊從同一位置由靜止釋放，依次改變滑塊的位移，即改變做功，測得數(shù)據(jù)見表1.

3.3.1.3 擬合

在Excel表格中，將上述數(shù)據(jù)輸入，依次擬合v-W關(guān)系、v2-W關(guān)系與v3-W關(guān)系，如圖6所示.發(fā)現(xiàn)v2-W圖象擬合結(jié)果幾乎是一條過原點(diǎn)的直線，v2與W成正比，即v2=kW.? ?3.3.2 保證光電門位置不變，改變桶和桶內(nèi)砝碼質(zhì)量

3.3.2.1 探究速度變化與做功的關(guān)系

將滑塊從同一位置由靜止釋放，依次改變桶和桶內(nèi)砝碼質(zhì)量，即改變做功，測得數(shù)據(jù)見表2.

3.3.2.2 猜測

3.3.2.3 擬合

3.4 理論推導(dǎo)

4 課后反思

動(dòng)能定理的理論推導(dǎo)過程并不復(fù)雜，但本堂課的重心并沒有放在動(dòng)能定理的理論推導(dǎo)上，而是把重心放在了實(shí)驗(yàn)探究、找尋速度變化和做功之間的關(guān)系上，充分重視知識(shí)的生成過程.本章所滲透的物理觀念是“能量“觀念，本堂課最后也落在了做功與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系上，打破章節(jié)限制，從“單元”的角度來考慮本節(jié)課.

從科學(xué)思維上，本節(jié)課從生活實(shí)際——彈弓場景出發(fā)，到實(shí)驗(yàn)探究，再到最后的理論推導(dǎo)，整堂課都涉及到模型的建構(gòu).實(shí)驗(yàn)過程中，速度變化與功之間的關(guān)系，是v∝W？是v2∝W？還是v3∝W，通過尋找證據(jù)，最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，需要科學(xué)推理、科學(xué)論證.合外力看作是由桶和桶內(nèi)的砝碼的重力提供，但要求有條件mM，本實(shí)驗(yàn)不采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，而采用較為精確的光電門來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由此可以看出，實(shí)驗(yàn)過程處處有質(zhì)疑、有創(chuàng)新.

通過中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，包括演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，來發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維水平，老師們可以研究探討的地方很多，需要各位物理同仁共同努力.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳輝，夏周.氣墊導(dǎo)軌探究“功與速度變化的關(guān)系”[J].物理教師，2019，40（03）：64-66.

[2]吳志山.基于學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)——以“探究功與物體速度變化的關(guān)系”為例[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2019（03）：3-5.