立足學(xué)生視角設(shè)計 提高實驗復(fù)習(xí)效率
——以“力學(xué)實驗復(fù)習(xí)”教學(xué)為例

葉 曉 梁 旭

(1. 杭州市余杭高級中學(xué),浙江 余杭 311100; 2. 浙江省教育廳教研室,浙江 杭州 310012)

實驗復(fù)習(xí)通常的方法是對之前做過的學(xué)生實驗逐個復(fù)習(xí),這種方法既費時間,效果也不是很好,原因是學(xué)生并不是對各個實驗的知識、方法和操作技能不知道,而是對相近內(nèi)容易混淆、難點內(nèi)容還沒有真正掌握．教師如果能夠在平時的教學(xué)和訓(xùn)練中,不斷積累學(xué)生的錯誤和學(xué)習(xí)中的難點,對錯誤原因進行診斷,對難點內(nèi)容進行分析,按照實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗器材、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理和注意事項等維度組織復(fù)習(xí)教學(xué)．教學(xué)中對于器材的靜態(tài)特征可以用照片進行教學(xué),對于動態(tài)的操作,應(yīng)該用視頻進行教學(xué),對于實驗原理和數(shù)據(jù)處理,可選擇合適的問題進行教學(xué)．根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容確定合適的問題情境類型,既可以發(fā)揮學(xué)生的主體性,又提高實驗復(fù)習(xí)效率．下面以力學(xué)實驗復(fù)習(xí)為例進行說明．

1 會用打點計時器夯實力學(xué)實驗基礎(chǔ)

力學(xué)實驗中的重點器材是打點計時器,8個力學(xué)實驗中有5個實驗使用打點計時器．作為一種器材,學(xué)生不僅要認識它,還要正確使用它．

問題情景:兩種打點計時器(圖1),電磁打點計時器的電源連接(圖2),紙帶安裝圖(圖3)．

圖1

圖2

圖3

表1

問題1. 圖1中哪個是電磁打點計時器?哪個是電火花計時器?2. 這兩種打點計時器只是記錄時間的儀器嗎?它們的異同點有哪些?3. 圖2中電磁打點計時器的接線正確的是哪個?4. 圖3中電磁打點計時器紙帶安裝正確的是哪個?5. 為什么從紙帶上的點的信息能夠獲取運動物體的信息?

說明:問題2,相同點:都是同時記錄時刻和位置(位移)的儀器,點間時間間隔均為0.02 s,不同點:打點原理不同,工作電壓不同,紙帶安放要求不同等．問題5,由于物體拖著紙帶一起運動,物體的運動情況與紙帶的運動情況相同,所以紙帶上點的信息能夠反映物體的運動．

2 結(jié)合裝置分析原理把握裝置的特征

問題情景:幾個學(xué)生實驗的裝置(圖4)．

(a)

(b)

(c)

表2

問題 1. 圖4a和b實驗裝置的區(qū)別是什么? 2. 這兩個裝置對應(yīng)完成哪個實驗?是否都需要平衡摩擦力? 3. 用圖4a做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗時,為什么需要滿足M? m? 4. 用圖4c做“驗證機械能守恒定律”實驗時,為什么不能用v=gt計算速度?

說明:對于問題3,在做這個實驗時,學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)牛頓第二定律,在復(fù)習(xí)階段,學(xué)生已經(jīng)具有用牛頓運動定律分析實際問題的素養(yǎng)了,就應(yīng)該要求學(xué)生從理論角度獨立推理出實驗條件．對于問題4,因為下降高度h是直接從紙帶上測量的,是確定的,如果選用v=gt計算速度(t=0.02(n-1)s,n為點數(shù)),相當(dāng)于根本不考慮阻力,把運動“認定”為自由落體,即已經(jīng)“認定”為機械能守恒了,假設(shè)用這種計算速度方法,在水中做實驗,也仍能得到機械能守恒這一錯誤結(jié)論,顯然這與實驗驗證要求不符．

3 掌握物理量測量方法突破實驗難點

3.1 速度和加速度的測量

問題情景1:如圖5所示是實驗時打出的一條紙帶,A,B,C,D…為每隔4個點取的計數(shù)點,據(jù)此紙帶可知小車在D點的速度大小為________m/s(小數(shù)點后保留兩位)．

圖5

問題情景2:“探究功與物體速度變化的關(guān)系”的裝置如圖6a所示,圖6b是小車運動過程中打點計時器在紙帶上打出的一系列點,則小車離開橡皮筋后的速度為________m/s(保留兩位有效數(shù)字)．

圖6

表3

問題 1. 圖5、6分別要求速度值“小數(shù)點后保留兩位”和“保留兩位有效數(shù)字”,有什么區(qū)別? 2. 圖5中D點的速度大小如何求?數(shù)值是多少?如何求這條紙帶的加速度? 3. 圖6中“小車離開橡皮筋后的速度”怎樣求?數(shù)值是多少?

圖7

3.2 質(zhì)量的測量

問題情景:托盤天平(圖7)．

表4

3.3 力的測量

問題情景:圖8是3位同學(xué)“平衡摩擦力”時的操作視頻截圖,圖9、10、11和12是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗操作時的照片,圖13a是規(guī)格為50g的鉤碼、圖13b是砝碼、圖13c是重錘．

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

圖13

表5

問題1. 從視頻中我們看到,3位同學(xué)“平衡摩擦力”時,有的已掛了砝碼盤,有的車后拖了紙帶(圖8所示),車子有的靜止,有的勻速,有的加速.“平衡摩擦力”正確的操作與是否已被平衡的判斷要求是怎樣的?2. 圖13中的(c)是什么?上面是否標了質(zhì)量?3. 有同學(xué)在盤中分別放入1個、2個、3個…鉤碼用于改變拉力的大小,這樣做有無不妥?4. 圖9、10、11和12是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗操作時的照片,你能找到幾處不規(guī)范的操作嗎?5. “探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時,對滑輪位置有否要求?為什么?

說明:問題1中“平衡摩擦力”時需要在車子后拖上紙帶,車子應(yīng)該緩慢持續(xù)運動(直接判斷勻速運動有困難)．問題3在盤中分別放入1個、2個、3個…鉤碼用于改變拉力的大小的做法是不妥的,原因是不能保證m?M,另外,由于鉤碼質(zhì)量較大,小車的加速度較大,運動過程中有脫軌掉到地上的危險．問題4中不規(guī)范之處有:細繩與桌子邊緣接觸,盤中不應(yīng)該放鉤碼而應(yīng)該放砝碼,車子里應(yīng)該放鉤碼而不是砝碼．

3.4 功的測量

問題情景:

A 探究做功與物體速度變化的關(guān)系

B. 驗證機械能守恒定律

C. 研究平拋運動

D. 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

表6

問題1. 在“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實驗時,為了使橡皮筋拉力做功成為合外力做的功,需要滿足什么條件? 2. 為了測量簡單,我們?nèi)绾翁幚硐鹌そ顝椓ψ龅墓?對幾條橡皮筋有什么要求?3. 在“驗證機械能守恒定律”實驗時,動能增量如何測量?勢能減少量又如何測量?這兩個值哪個稍大一些?為什么?4. 為了減小阻力對“驗證機械能守恒定律”實驗的影響,實驗操作上有怎樣的要求?5. 在“研究平拋運動”實驗時,是否可以通過測量小球下降高度,再用mv2/2=mgh計算得到水平拋出速度?為什么?6. 圖14哪些實驗中的研究對象要從同一位置自靜止開始運動?

說明:問題3,常選擇初速度為0的紙帶進行處理,通過測量紙帶上的速度和位移算出動能增量和勢能減少量,由于阻力的作用,勢能減少量大于動能增量．問題5,小球與斜槽之間雖然存在阻力,但這個阻力并沒有做功(小球是純滾動),由于小球在下滾的過程中,速度與角速度變大,重力勢能轉(zhuǎn)變成了平動動能(mv2/2)和轉(zhuǎn)動動能(Iω2/2)之和,所以不能用mv2/2=mgh求水平拋出速度．問題6,“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”和“研究平拋運動”實驗的研究對象要從同一位置自靜止開始運動,前者是為了保證每次每根橡皮筋做功相等,后者是為了保證每次實驗軌跡是重合的．

4 正確處理數(shù)據(jù) 獲取實驗結(jié)果

問題情景1:用如圖15(a)裝置做“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實驗,有同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的圖像如15(b)所示．

圖15

問題情景2:圖16是“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”實驗時將實驗測得的數(shù)據(jù)描在v-t圖像后,3個同學(xué)得到的a、b、c3種擬合方式．

圖16

表7

問題 1. 實驗數(shù)據(jù)處理時,為什么一般都是用圖像來處理?圖像方法有什么好處? 2. 為了能更加直觀地確定W與v之間的關(guān)系,圖15(b)圖像應(yīng)如何轉(zhuǎn)換? 3. 得到直線為什么比曲線好?力學(xué)實驗還有哪些實驗數(shù)據(jù)處理采用“化曲為直”的方法? 4. 圖16中哪位同學(xué)的v-t圖是正確的?為什么? 5. 在求解圖像類問題時,除了觀察數(shù)據(jù)點的分布外,是否還有影響畫圖像的因素?

說明:問題4中,圖16b是正確的．因?qū)嶒灁?shù)據(jù)是有誤差的,讓圖像經(jīng)過每一個點的做法是不合適的．圖像反映的其實是物理規(guī)律,物理規(guī)律通常是簡潔、和諧的,圖像a、c都沒有滿足．作圖時應(yīng)先觀察所描點的分布是否大體在一條直線上,猜測變量間可能遵循的規(guī)律,然后進行擬合,讓盡可能多的點過擬合線,沒有落在擬合線上的點大致對稱分布．問題5,考慮到初學(xué)階段進行規(guī)律探究時規(guī)律對于學(xué)生來說還是未知的,作圖時只能對數(shù)據(jù)進行擬合,但問題求解時,學(xué)生已經(jīng)掌握了規(guī)律,作圖時既要考慮數(shù)據(jù)點的分布,也要考慮實驗情境中物體運動所遵循的規(guī)律．例如本題“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗情境是小車被系著重物的繩子拉著在水平面上運動,是勻變速直線運動,v-t圖像應(yīng)為直線．