優(yōu)化創(chuàng)新做實驗 追本溯源探真理

摘 要：功的原理的推導和理解是本節(jié)課重難點，教材中關(guān)于“使用機械能否省功“的實驗有一定的局限性，并且不能恰當?shù)氐贸龉Φ脑?筆者對實驗器材和過程進行了優(yōu)化和創(chuàng)新，并采用“實驗+推理”即理想實驗法突破了重難點，追本溯源使學生理解“使用任何機械都不省功”的真正意義.

關(guān)鍵詞：功的原理;實驗優(yōu)化創(chuàng)新;“實驗+推理”

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）14-0045-04

作者簡介：田茂剛（1980-），男，山東淄博人，本科，中學一級教師，研究方向：初中物理課堂教學.

眾所周知物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學科，它是發(fā)展最成熟、高度計量化的精密科學，同時它的發(fā)展具有方法論的性質(zhì)，被人們公認為最重要的基礎(chǔ)學科.2019年11月20日教育部下發(fā)了《關(guān)于加強和改進中小學實驗教學的意見》，在其總體要求中指出：“拓展創(chuàng)新，不斷將科技前沿知識和最新技術(shù)成果融入實驗教學，豐富內(nèi)容，改進方式;注重實效，強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創(chuàng)新創(chuàng)造，著力提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創(chuàng)造性思維能力和團隊合作能力，培養(yǎng)學生的興趣愛好、創(chuàng)新精神、科學素養(yǎng)和意志品質(zhì).”[1]由此可見，加強實驗教學是物理教師的一種職責，優(yōu)化實驗教學對培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力具有舉足輕重的作用.

功的原理（mechanical work theorem）是一個普遍的結(jié)論，對于任何機械都適用，它對機械的使用和研制具有重要的指導意義，故功的原理被譽為“機械的黃金定律”.“功的原理”是初中物理力學中一種比較重要的基本原理，它是學生在學習了簡單機械后對利用機械作功的進一步認識，是對生活中物理現(xiàn)象的進一步觀察和應(yīng)用，然而面對如此重要的原理，在實際教學中有些課堂卻不注重實驗的嚴謹性和科學性，出現(xiàn)了以偏概全、越俎代庖甚至本末倒置的情況，本文針對魯教版（山東科學技術(shù)出版社）物理八年級下冊第九章第五節(jié)“功的原理”教學中存在的不足進行了優(yōu)化和創(chuàng)新.

1 教材中原有實驗的描述與不足

1.1 教材中關(guān)于功的原理的描述

筆者使用的教材是教育部2012審定的魯教版教材，教材中這樣描述功的原理：“大量事實表明：使用機械時人們所做的功，都不會少于不用機械所做的功，也就是說使用任何機械都不能省功，這個結(jié)論叫作功的原理”，其中“都不會少于”的意義包含“大于或等于”兩層意思，即如果我們把使用機械時做的功表示為W機械，把不用機械而直接用手做的功表示為W手，那么用數(shù)學語言來描述功的原理就是W機械≥W手.

1.2 教材中實驗的不足

教材中分別利用杠桿和動滑輪提起鉤碼來探究“使用機械能否省功”這個問題，筆者認為教材中的實驗探究有以下三點不足之處：

第一，教材中使用杠桿進行實驗時操作不方便且移動距離不易測量.物體移動軌跡和彈簧測力計在提升過程中的移動軌跡是一條曲線，先要找出同一點的前后兩個位置，再用刻度尺測量出對應(yīng)點的豎直距離.在空間中測量物體移動的距離h和彈簧測力計移動距離s時會造成較大的測量誤差甚至錯誤.

第二，教材中分別利用杠桿和動滑輪提起鉤碼來探究“使用機械能否做功”時類型不夠全面.功的原理適用于所有機械，包括理想機械、實際機械、組合機械，是一種無論考慮還是不考慮機械自身受到的重力、摩擦力等因素都普遍適用的原理，但使用杠桿和動滑輪這兩種實驗器材側(cè)重于體現(xiàn)機械自身重力對機械做功產(chǎn)生的影響，而其他的很多常見的因素產(chǎn)生的影響卻無法體現(xiàn)，這樣得出的結(jié)論可能會具有局限性，也不利于學生科學思維和發(fā)散思維能力的培養(yǎng).

第三，教材中的實驗探究及其結(jié)果不能夠恰當?shù)氐贸龉Φ脑?，即“使用任何機械都不省功”的結(jié)論.利用動滑輪等簡單機械提起鉤碼，將鉤碼重G、鉤碼提升的高度h、手的拉力F以及手移動的距離s填入表格，并計算出使用機械做的功W機械和不用機械做的功W手進行比較（見表1）.

表1是筆者在授課前自己實驗探究時記錄的一組數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)我們可知：使用機械做的功大于不用機械做的功，即W機械>W手，而根據(jù)功的原理二者的關(guān)系應(yīng)該是W機械≥W手.

2 實驗器材的優(yōu)化與創(chuàng)新

2.1 實驗器材的優(yōu)化與創(chuàng)新

針對以上不足，筆者對實驗目的和實驗器材的對應(yīng)性進行了深入的思考和衡量，筆者想到了一種常見的能代替杠桿更好的實驗器材——斜面，使用斜面做探究實驗有以下優(yōu)點：

第一，鉤碼移動的距離h和手移動的距離s更容易測得并且誤差較小.

第二，可以進一步探究摩擦力對機械做功的影響，從而解決前期探究影響因素范圍偏窄的問題.

總之，這次實驗器材選擇的創(chuàng)新可以做到兩者兼顧、一舉兩得.實驗優(yōu)化和創(chuàng)新的思維過程如圖1所示.

2.2 實驗器材的最終選擇是動滑輪和斜面

本節(jié)課中最終使用動滑輪和斜面進行實驗探究，使用二者進行實驗探究具有類型全面、操作簡單、現(xiàn)象明顯、數(shù)據(jù)易測量且誤差小等優(yōu)點，也為實驗后續(xù)的分析推理做好了鋪墊.

3 探究過程的優(yōu)化與創(chuàng)新

3.1 實驗過程的優(yōu)化

通過實驗過程及數(shù)據(jù)處理得出的結(jié)論是：使用機械做的功大于不用機械做的功，即W機械>W手，而功的原理的實質(zhì)指明二者的關(guān)系應(yīng)該是W機械≥W手，問題的癥結(jié)是教學過程中如何引導學生理解W機械=W手，或者說在什么條件下W機械=W手.

使用機械有時省力，有時省距離，為什么不省功呢？這是學生普遍的疑問.筆者考慮從實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)入手，根據(jù)學生存在的疑問和好奇心理激發(fā)學生的探究欲望，追本溯源引導學生科學分析導致使用機械做的功大于不用機械做的功的根本原因.

3.1.1 實驗過程優(yōu)化方法

學生分組實驗分別使用動滑輪和斜面探究“使用機械是否省功”.

使用動滑輪探究時：用彈簧測力計測出鉤碼的重G，選擇重力不同的大中小三種動滑輪（如圖2所示），按照“先用大的動滑輪再用中等的動滑輪后用小的動滑輪”的實驗順序分別將同一鉤碼提升相同的高度h，記下彈簧測力計的示數(shù)F，測出繩子自由端移動的距離s，并將實驗數(shù)據(jù)記錄在表格中.

使用斜面探究時：用彈簧測力計測出木塊的重G，將木塊勻速提升一定高度h，并做好標記;組裝好斜面后，在斜面上按照“先鋪毛巾再鋪棉布后用木板”的順序分別用彈簧測力計沿斜面勻速拉動木塊至標記處（如圖3所示），記下彈簧測力計的示數(shù)F，彈簧測力計沿斜面移動的距離s，并將實驗數(shù)據(jù)記錄在表格中.

3.1.2 計算并分析實驗數(shù)據(jù)

下面是筆者保留的一份學生分組實驗的記錄表（如圖4所示）.

實驗表明：使用機械時人們所做的功，都大于不用機械時所做的功，即W機械>W手.

分組討論：這兩組使用了相同的實驗器材，并且每次實驗結(jié)果都存在W機械>W手的關(guān)系，但是通過數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)每組的W機械與W手的差值是不同的，為什么呢？進一步猜想使用機械時W機械>W手的根本原因可能是什么呢？

討論結(jié)果：機械自身的重力和摩擦力.

3.2 探究方法的創(chuàng)新

教材中通過實驗探究后就給出了“使用任何機械都不省功”的結(jié)論，這一舉措筆者認為是有待商榷的，因為通過實驗很容易得出W機械>W手的結(jié)論，但實驗中并沒有W機械=W手的體現(xiàn).因為W機械>W手是機械做功的實際情況，而W機械=W手卻是一種理想情況，所以筆者嘗試在教學過程中使用”實驗+推理”的教學方法即理想實驗法突破瓶頸.教學中在實驗探究的基礎(chǔ)上進一步引導學生分析影響因素，從而推理出無其他因素影響時使用機械做功與不用機械做功之間的大小關(guān)系，即理想狀態(tài)下二者之間的大小關(guān)系，這樣既能夠突破為什么W機械=W手的重難點，也能夠科學完整地推導出功的原理.

3.2.1 實驗探究

（1）=1＼*GB3使用機械時人們所做的功，都大于不用機械時所做的功，即W機械>W手.

（2）=2＼*GB3機械的重力或摩擦力是W機械>W手的影響因素.

3.2.2 科學推理

問題：我們再重新分析這兩組實驗數(shù)據(jù)，按照實驗順序，機械自身重力或摩擦力怎樣變化？W機械與W手的差值有什么特點？看看還存在什么規(guī)律？

回答：機械自身重力和摩擦力越來越小，W機械與W手的差值也越來越小.

推理：當繩重、動滑輪等機械重力和摩擦力為零時呢？

回答：W機械與W手之間的差值就會逐漸減小為零，即W機械=W手.

我們把不計繩重、動滑輪的重力和摩擦力時的狀態(tài)稱為理想情況.

3.2.3 利用“實驗+推理”的方法推導出功的原理

學生通過“實驗探究”的環(huán)節(jié)得出“使用機械做的功W機械大于不用機械做的功W手”，即W機械>W手;學生通過實驗數(shù)據(jù)分析“W機械>W手”的原因，找出了機械自重和摩擦力等因素對機械做功的影響;進一步推理：隨著機械自身重力和摩擦力越來越小，則W機械與W手之間的差值就會越來越小，達到理想情況時即機械自身重力和摩擦力減小到零時，則W機械與W手之間的差值也會為零，即W機械=W手.

綜合實驗探究和科學推理可得出“使用任何機械都不省功”，即功的原理.

（1）實際情況：W機械>W手

（2）理想情況：W機械=W手即W機械≥W手

4 優(yōu)化創(chuàng)新后的效果

4.1 優(yōu)化創(chuàng)新后的教學效果

通過本節(jié)課的教學使學生理解了“使用任何機械都不省功”的真正意義，學生能夠用功的原理解釋使用斜面為什么能省力、為什么將物體提升相同高度時，斜面越長越省力，也能夠理解和解釋“將同一個物體分別沿AB和AC兩個光滑斜面勻速拉到頂端”兩次的拉力F1、F2及兩次做功W1和W2的大小關(guān)系等.

通過反饋發(fā)現(xiàn)學生理解和掌握情況較好，學生通過本節(jié)課的學習不僅理解了功的原理，并且能夠根據(jù)功的原理來解決生產(chǎn)生活中的實際問題， 貫徹了“物理來源于生活又服務(wù)于生活”的原則，他們不僅學到了知識，還在學習過程中體驗到了成功的喜悅，增強了自信心，所以本節(jié)課無論是在培養(yǎng)學生學習方法上，還是鍛煉學生思維能力等方面都達到了預期的教學目標和教學效果.

4.2 優(yōu)化創(chuàng)新后的教研效果

筆者根據(jù)優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新思路在2019年執(zhí)教了“功的原理”一課，這節(jié)課在當?shù)氐奈锢斫萄谢顒又衅鸬搅朔e極的導向作用，在一定程度上促進了區(qū)域內(nèi)物理教學的優(yōu)化和創(chuàng)新思考，這節(jié)課被評為“教育部2019年度‘一師一優(yōu)課、一課一名師活動‘優(yōu)課”.

“功的原理”這節(jié)課的優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新思路也引起當?shù)亟萄惺业闹匾?，《山東省淄博市2019年初中物理學業(yè)水平考試物理試題》中第22題就是以這節(jié)課為母版進行的中考命題.

《山東省淄博市2019年初中物理學業(yè)水平考試物理試題》第22題：在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高機械效率有著重要的意義.提高機械效率，要從研究影響機械效率的因素出發(fā)，尋求辦法.

（1）為了探究影響機械效率的因素，小明選取了大小相同的滑輪，利用圖5甲和圖5乙裝置進行實驗，并把數(shù)據(jù)整理記錄在下表2中.

①比較1和2兩次實驗發(fā)現(xiàn)：在所有滑輪組一定時，提升的鉤碼，機械效率越高.

②比較3和4兩次實驗發(fā)現(xiàn)：滑輪組的機械效率還與有關(guān).

③比較兩次實驗發(fā)現(xiàn)：在所用滑輪組一定時，機械效率與提升鉤碼的高度無關(guān).

④第5次實驗是利用了圖的裝置完成的，判斷依據(jù)是.

⑤利用圖5甲的裝置，把重6N的物體用2.5N的拉力迅速拉起，滑輪組的機械效率為.可見如果沒有刻度尺，只有測力計，也可以測量出滑輪組的機械效率.

（2）小明利用圖5丙裝置實驗發(fā)現(xiàn)：斜面的機械效率與斜面的傾斜程度和摩擦有關(guān)，與物重無關(guān).保持斜面傾斜程度不變，可以采用的方法減小摩擦，從而提高斜面的機械效率.

（3）實驗表明：額外功越小，總功越接近有用功;進一步推理得出：假設(shè)沒有額外功，總功等于有用功;可見使用任何機械都.下列物理規(guī)律的得出運用了這種研究方法的是.

A.焦耳定律???? B.牛頓第一定律

C.阿基米德原理?? D.歐姆定律

5 優(yōu)化創(chuàng)新追本溯源與物理教學

物理學科的特點決定了教學中的絕大部分知識和概念的建立都是以實驗探究為基礎(chǔ)的，而教材中的很多實驗存在著演示不方便或效果不明顯等不足之處，所以物理教師要對教材中現(xiàn)有的實驗進行優(yōu)化和創(chuàng)新才能獲得理想的教學效果.有些物理知識僅僅通過實驗就得出物理規(guī)律或物理原理往往是行不通的，因為這樣容易造成知識的片面、缺陷甚至錯誤，所以物理教學中要注重實驗探究特別是教學方法的優(yōu)化和創(chuàng)新，綜合運用物理方法，做到因勢利導、循序漸進、追本溯源，才能在物理教學的道路上教學相長、助力學子并快樂自己.

參考文獻：

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（收稿日期：2021-04-08）