高中物理探究性實驗

鄧果

摘要：中學物理新課程標準要求利用實驗教學提高學生的實驗技能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、獨立思考能力及探索精神。文章以此為目的，以實驗復習——驗證機械能守恒定律一課為例，采用探究式教學方法，以問題為主線，以科學探究為載體，以發(fā)現(xiàn)問題為動力，引導學生親自體驗驗證機械能守恒定律科學探究過程，領悟科學探究方法，提升起物理核心素養(yǎng)。

關鍵詞：核心素養(yǎng);科學探究;實驗

一、教材內容分析

機械能守恒定律是高中物理課程中體現(xiàn)守恒思想的第一個定律，在整個高中物理學習中起著承前啟后的作用。“驗證機械能守恒定律這節(jié)課的教學對學生推理論證、質疑創(chuàng)新、動手能力和分析能力都有革命性的提高。因此該課堂不僅要傳授物理規(guī)律，更重要的是通過探究式教學設計，使學生親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，領悟科學探究的過程，提高物理核心素養(yǎng)。

二、教學過程

（一）復習回顧，知識梳理，構建認知體系

師生共同回顧驗證機械能守恒定律實驗的原理和注意事項，提出一下4個問題。

問題1：判斷機械能守恒的條件？

問題2：實驗驗證中物體質量m是否需測量？

問題3：紙帶上某點速度如何測量？

問題4：有效的紙帶得如何選擇？

設計說明：通過復習判斷機械能守恒的條件、驗證守恒的實驗原理和注意事項，為本節(jié)課探究驗證系統(tǒng)機械能守恒提供知識儲備，也使學生進一步理解功是能量轉換的量度，為學生探究系統(tǒng)機械能守恒做好鋪墊。教師介紹驗證系統(tǒng)機械能守恒的實驗裝置。

問題5：該實驗器材用于驗證機械能守恒，研究對象是誰？

問題6：從何判斷？

問題7：到底是驗證誰機械能守恒？

設計說明：學生直觀反應是要驗證物塊機械能守恒，這是受利用物體自由落體運動來驗證機械能守恒這套裝置的影響。但當教師拋出下一個問題，他們就很快能意識到，物塊除了重力以外還有繩子拉力在做功，所以單個物塊機械能并不守恒。馬上會有個別學生會提出小車和物塊作為系統(tǒng)機械能守恒。此時就需要教師引導學生思考，如何去驗證系統(tǒng)機械能守恒？提示學生類比學習驗證單個物體機械能守恒的方法。有學生便提出，我們可以通過數(shù)據(jù)分析物塊減少的重力勢能，與物塊和小車動能的增加總量在誤差允許的范圍內是否相等，來進行驗證系統(tǒng)機械能守恒。

（二）動手實驗，分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題

學生以每六個人為一小組分別進行實驗，每個小組的學生根據(jù)自己的能力和特點參與實驗過程，分工協(xié)作完成實驗過程。教師現(xiàn)場指導，引導學生合理開展實驗。幫助有困難的學生進行實驗操作。以下是某組學生獲得的實驗數(shù)據(jù)：物塊質量m=0.05kg，小車質量M=0.502kg，x1=0.0158m，X2=0.0228m，t=0.04s，h=0.118m。經(jīng)數(shù)據(jù)處理測得小物塊重力勢能的減少量為0059J，系統(tǒng)的動能增加量為0.0466J。這一數(shù)據(jù)表明小物塊重力勢能的減少量比系統(tǒng)的動能增加量大了許多，并能說明系統(tǒng)機械能守恒。這一實驗結果對學生預想結果具有-定的沖擊性，能夠撼動”學生原有的認知體系，學生對于找出問題所在充滿了好奇，這也是科學探究素養(yǎng)培養(yǎng)的最好契機。

（三）提出問題，形成猜想，修正實驗

從該組學生數(shù)據(jù)處理結果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的機械能并不守恒，其他七個小組也紛紛表示自己獲得數(shù)據(jù)也是小物塊重力勢能的減少量比系統(tǒng)的動能增加量大了許多。教師引導學生大膽猜想會不會本身這個實驗系統(tǒng)機械能就不守恒？通過以下三個問題引導學生從“功是能量轉換的量度”這一角度，去發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)除了重力做功，其實還有小車所受的摩擦力做功。要使系統(tǒng)機械能守恒需要先消除摩擦力做功的影響。

問題8：為什么實驗測得系統(tǒng)機械能不守恒？

問題9：實驗操作出問題還是實驗數(shù)據(jù)處理出問題？

問題10：如何進行修正實驗？

設計說明：該環(huán)節(jié)的教學設計有別于傳統(tǒng)的實驗教學，并還是在學生實驗操作前和實驗過程中不停地反復強調平衡摩擦力的重要性。通過學生親歷實驗失敗來激勵學生找出影響實驗的關鍵步驟--平衡摩擦力。然后在講授平衡摩擦力的方法，讓學生重新進行實驗，體驗實驗成功的喜悅。

問題11：如何平衡摩擦阻力的影響？

問題12：如何判定已經(jīng)平衡好摩擦力？

學生第一反應是把木板換成更光滑的玻璃，來減小摩擦力，但是還是存在摩擦力的影響，無法完全消除，這世間沒有完全光滑的物品。教師引導若物塊可以在不受繩子拉力作用下做勻速直線運動，即為達到了平衡摩擦阻力的效果。學生能考慮到將木板適當傾斜，重力沿斜面向下的平衡摩擦阻力的作用。若輕推物塊，發(fā)現(xiàn)其紙帶上打出的點跡均勻，說明已經(jīng)平衡好摩擦力。八個小組重新實驗，平衡好摩擦力，再重新實驗過程，獲取數(shù)據(jù)如下：物塊質量m=005kg，小車質量M=0502kg，x1=0.0179m，X2=0.0236m，t=0.04s，h=00807m。經(jīng)數(shù)據(jù)處理則的小物塊重力勢能的減少為0.04035J，系統(tǒng)的動能增加量為00406J。實驗結果：在誤差允許的范圍內，系統(tǒng)機械能守恒。

設計意圖：本環(huán)節(jié)是在學生親歷未平衡摩擦力導致實驗失敗后修正實驗過程，重新實驗過程，進而獲得成功。學生親身經(jīng)歷挫折后又自行找出問題、解決問題，最終感受到成功的喜悅，體驗感極強。

（四）改進實驗，培養(yǎng)創(chuàng)新意識

1.教師以思考題的形式引導學生設計改進實驗

思考：是否有其他測量物體速度的測量方法？

在物理必修1第一章運動的描述中的科學漫步曾介紹過氣墊導軌和光電門及數(shù)字計數(shù)器。在教師的適當引導下，學生能想到此實驗可以通過氣墊導軌上完成，并調節(jié)氣墊導軌的高低來精準的平衡摩擦力的

影響。用光電門代替打點計時器測量瞬時速度，v=d/t其中d為遮光板的寬度，為遮光板過光電門的擋光時間。

2.教師協(xié)助學生共同完成改進后的創(chuàng)新實驗

（1）用天平分別測量桶和滑塊的質量。

（2）將氣墊導軌調節(jié)水平，使滑塊能在氣墊導軌上勻速運動，按05米間距安裝兩個光電門。

（3）啟動氣源，釋放滑塊讓其自由滑動，關閉氣源。

（4）采集實驗數(shù)據(jù)，輸入Excel處理數(shù)據(jù)，如下圖所示。

（5）分析實驗結果：桶與砝碼的重力勢能減少量為0.1306J，小車與車上砝碼的動能增加量為0.1302J，在誤差允許的范圍內系統(tǒng)的機械能守恒。

（五）拓展探究，課堂延伸

1.教師提出探究課題是否可以利用DIS實驗來驗證物體下落過程中的機械能守恒問題。

2.學生經(jīng)過思考討論設計出在鐵架臺上豎直方向裝上兩個光電門，讓一物體自由下落，來驗證豎直方向上的機械能守恒。

3.教師引導學生找出設計方案的缺陷

①演示實驗過程，若用普通重物下落則直徑過大，用光電門測得的平均速度不能作為瞬時速度處理。

②普通物體下落過程容易碰到DIS裝置，產(chǎn)生誤差。

③教師用一枚硬幣代替重物，嘗試完成整個實驗過程，并簡單處理實驗數(shù)據(jù)。

④數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)用硬幣進行實驗也是不成功。教師引導學生找出實驗失敗的原因：為保證實驗的成功性，是需要硬幣在下落過程中嚴格保持水平不發(fā)生轉動，經(jīng)過學生的多次試驗發(fā)現(xiàn)由于空氣阻力的影響是無法做到這一要求。進而影響到光電門對硬幣的遮光距離d的測量，使得對瞬時速度的測量引發(fā)產(chǎn)生較大的影響。

4.留作課后思考該方案要如何繼續(xù)改進，才能提升成功率

結語：在新課程背景下，讓物理教學能夠有效地促進學生核心素養(yǎng)的提升，是每一位教師為之努力的方向。物理教學中，教師若能將物理核心素養(yǎng)教育落到實處，便能為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下堅實的基礎，也為我國科技發(fā)展輸送優(yōu)秀的人才。

參考文獻：

[1]劉思佚，牟佳佳.淺談高中物理課堂中的參與式教學[J].第二課堂（D），2021（09）：45-46.