中學(xué)物理三個力學(xué)演示實驗的創(chuàng)新性設(shè)計

武夢竹

（通海縣河西中學(xué) 云南玉溪 652700）

引言

當(dāng)下，人類的生存環(huán)境越來越惡劣，對生活質(zhì)量的要求卻越來越高，兩者都越來越依賴于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)然社會的進(jìn)步、全人類的發(fā)展都與全民的科學(xué)素質(zhì)息息相關(guān)[1]。所以，迫切需要提高全民科學(xué)素質(zhì)。重任落在了教育工作者肩上，而想要提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，首先要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。因此，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力是每一位教育工作者應(yīng)該認(rèn)真思考的問題[2]。然而，目前中學(xué)物理教材還存在思想陳舊、內(nèi)容不新、器材落后、趣味性不強、缺乏設(shè)計性等問題。因此，物理教師應(yīng)在教學(xué)過程中以科學(xué)實驗為基礎(chǔ)、增強創(chuàng)新意識、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、更新實驗器材、改進(jìn)教學(xué)方法，促使學(xué)生得以真正領(lǐng)略物理學(xué)科魅力、發(fā)展科學(xué)創(chuàng)新思維、提高科學(xué)創(chuàng)新能力[3-4]。本文為此具體探討了中學(xué)物理力學(xué)演示實驗創(chuàng)新性設(shè)計。

一、物理學(xué)實驗創(chuàng)新的要求與必要性

物理學(xué)是一門基礎(chǔ)科學(xué)，是整個自然科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，在知識經(jīng)濟中具有不可替代的作用。物理學(xué)更是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。在物理教學(xué)中，教師的演示和學(xué)生的實踐是物理教學(xué)中兩個不可缺少的環(huán)節(jié)[5]。其中，教師的演示是否新穎、是否突出、是否具有表現(xiàn)力直接影響了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和自身創(chuàng)新能力以及科學(xué)實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。

當(dāng)前新課標(biāo)對物理教學(xué)有很大的改革，考試題目越來越靈活，難度也有所增加。這就要求物理教師要適應(yīng)改革的變化，努力創(chuàng)新教學(xué)方法去進(jìn)行物理教學(xué)。當(dāng)前新課程標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)重視理論與實際生活相聯(lián)系，同時注重培養(yǎng)學(xué)生善于觀察、樂于思考，勤于動手[6]。

二、三個中學(xué)物理力學(xué)演示實驗創(chuàng)新性的設(shè)計

①傳統(tǒng)教學(xué)是老師操作給學(xué)生看，容易導(dǎo)致學(xué)生的思維被禁錮，根本不會思考教師所講的知識在生活中、在科學(xué)發(fā)展中的用處何在，也就更談不上學(xué)生利用教師所教的知識去創(chuàng)新發(fā)明。②實驗內(nèi)容比較老舊，跟不上時代的創(chuàng)新，缺乏設(shè)計性和探索性。目前中學(xué)物理實驗大多還是以教師為主體，教師把實驗?zāi)康摹⒉襟E和內(nèi)容都詳細(xì)的講解，學(xué)生只是被動地去驗證教師給出的結(jié)論，違背了學(xué)生善于觀察、樂于思考，勤于動手的要求。嚴(yán)重制約了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。③由于領(lǐng)導(dǎo)、教師對實驗不夠重視，導(dǎo)致了實驗開設(shè)率低，儀器設(shè)備成就落后甚至不足。諸多原因以至于一些中學(xué)根本無法完成大綱規(guī)定的教師和學(xué)生實驗，特別是課改之后的教材中增加的實驗。陳舊的儀器設(shè)備，直接影響了實驗的效果，使得科學(xué)理論得不到驗證，學(xué)生只能“死讀書”。還有實驗課費時費力，導(dǎo)致很多教師把做實驗改為講實驗，嚴(yán)重偏離了物理教學(xué)以實驗為基礎(chǔ)這一科學(xué)根據(jù)。

本文選擇中學(xué)物理中三個比較典型的力學(xué)演示實驗進(jìn)行創(chuàng)新，利用身邊的簡易器材，簡單明了的展示實驗現(xiàn)象，使學(xué)生能夠輕松掌握物理知識。

1.實驗探究靜摩擦力的大小

物理教科書中對摩擦力的定義：兩個相互接觸的物體，當(dāng)它們相對運動時，在接觸面上會產(chǎn)生一種阻礙相對運動的力，這種力就叫做摩擦力。根據(jù)這個定義，教師通常將摩擦力產(chǎn)生的條件歸為兩點：①兩物體要相互接觸，還要相互擠壓，并且有相對運動（或相對運動的趨勢）；②接觸面粗糙。接觸面的粗糙程度和接觸面面積的大小不是同一個概念。教師怎么引導(dǎo)學(xué)生理解接觸面積對摩擦力大小是否有影響尤為重要，摩擦力的大小與物體間的接觸面積無關(guān)。

由上述分析可知，關(guān)于“摩擦力的產(chǎn)生”的實驗創(chuàng)新性設(shè)計：（1）摩擦力產(chǎn)生的實質(zhì)到底是什么？盡管有“分子粘合說”，但現(xiàn)在我們還是不能對摩擦做出完美的闡述。這樣的問題有點抽象，涉及很多物理知識，甚至大學(xué)物理的內(nèi)容，因此摩擦力成為中學(xué)物理教師們喜歡探究的實驗。（2）多數(shù)中學(xué)物理教師都是本科生畢業(yè)，關(guān)于摩擦力的定義及產(chǎn)生原因等的相關(guān)知識儲備不夠。目前中學(xué)物理教科書對摩擦力的定義只能讓學(xué)生知道什么時候產(chǎn)生摩擦力，但卻不知道為什么會產(chǎn)生摩擦力。而摩擦力產(chǎn)生的原因以及摩擦力大小與接觸面積無關(guān)的內(nèi)容，教科書提的很少，只是在做題的過程中，涉及到怎么測量摩擦力大小的實驗。雖然摩擦力產(chǎn)生的原因不是中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)所要求的內(nèi)容，但作為物理教師應(yīng)該對整個物理學(xué)知識體系熟練掌握，對物理知識有更深層次的提高。摩擦力中，靜摩擦力尤其抽象，學(xué)生經(jīng)常忽略靜摩擦力的大小，因此探究靜摩擦力的大小尤為重要。

現(xiàn)行的中學(xué)物理教材中，探究靜摩擦力的方法為把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉木塊，當(dāng)拉力F增大到一定值時，木塊剛好動時記下彈簧測力計的示數(shù)即為最大靜摩擦力，繼續(xù)用力達(dá)到某一數(shù)值時木塊開始移動，此時拉力會突然變小。如果按照教材進(jìn)行實驗，學(xué)生很難理解彈簧測力計的示數(shù)代表什么。同時學(xué)生很難理解和直觀地看出彈簧測力計示數(shù)的變化，所以學(xué)生很難理解靜摩擦力和最大靜摩擦力的大小。探究實驗雖然簡便、但是難以控制變量，沒有定量的科學(xué)數(shù)據(jù)加以證明，說服力不夠，科學(xué)性不強。本課題中，筆者采用簡易的物理儀器來完成對靜摩擦力大小的探究。實驗通過觀察彈簧秤拉力的大小從而得出靜摩擦力的大小，同時還可以得出靜摩擦力的大小變化規(guī)律。效果明顯，具有較強的感染力，容易引發(fā)學(xué)生思考。

實驗材料：

a.底板較光滑的帶有滑輪的支架 b.彈簧秤 c.可以調(diào)節(jié)高度的定滑輪 d.滑塊 e.帶輪子的小車 f.沙和沙桶。

實驗操作：

（1）用彈簧測力計讀出沙與沙桶的總重力，再將沙桶掛在小勾上（小車保持靜止），讀出此時彈簧測力計示數(shù)。

（2）改變沙與沙桶的總重力，仍使小車保持靜止，觀察彈簧測力計示數(shù)的變化。

（3）繼續(xù)增大總重力，觀察小車剛動時拉力與原來的大小變化。

提問引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：

（1）我們要得到的是靜摩擦力的大小，而觀察的是拉力的大小，怎樣才能得出靜摩擦力的大??？

（2）由實驗?zāi)芊竦贸鲮o摩擦力的大小規(guī)律？

總結(jié)：

靜摩擦力的大小隨著拉力的增大而增大，并與拉力大小相等。即當(dāng)物體只是具有相對運動的趨勢時，此時：f靜=F拉。

2.驗證流體壓強與流速的關(guān)系

筆者通過對大學(xué)物理中所學(xué)伯努利原理的進(jìn)一步研究，從而得出一種較為簡單的實驗儀器來證明流體壓強和流速之間所存在的關(guān)系，實驗器材簡單，并且筆者所創(chuàng)新的實驗儀器可以作為中學(xué)多組實驗的課堂演示教具，可以證明流體壓強和流速的關(guān)系、大氣壓強的存在、液體壓強隨深度的增加而增大，從而達(dá)到了一物多用的效果。實驗材料均來源于生活，方便獲取，此實驗易操作，可觀性較強，效果明顯，具有較強的感染力，容易引發(fā)學(xué)生思考。

筆者在新課前設(shè)置了兩個環(huán)節(jié)：

1.小游戲：隔空點火。手中有三支蠟燭，用打火機點燃旁邊兩支蠟燭，讓學(xué)生猜想中間的蠟燭不用打火機能點燃嗎？2、演示自制教具：“聽話的紙片” 。器材由小風(fēng)扇和飲料瓶改造而成，當(dāng)在瓶口撒上碎紙，當(dāng)開動風(fēng)扇時，碎紙會隨風(fēng)舞動，聽話的鉆進(jìn)瓶里了。

兩個神奇的小游戲都是氣體流動的速度發(fā)生了改變，氣體的壓強跟流速之間有什么關(guān)系？學(xué)生猜想假設(shè)：氣體流速越大的位置，壓強可能越小？

實驗材料：針筒、熱熔膠、紅墨水

實驗操作：

針筒實驗：筆者將粗細(xì)不同的四個針筒A、B、C、D用膠粘起來，在B、C、D三個針筒上分別扎上小孔，讓三個小孔在一條直線上，將針筒裝滿水，裝水時，讓三個小孔全部沒入水中，在相同推力作用下，觀察三個小孔噴出水柱的高度。由于水是透明的，所以在水里加入了紅墨水，采用反襯的方法，使效果更加明顯。我們可以看到三個小孔噴出水柱高度是不一樣的，小組討論最后得出結(jié)論：從B針筒噴出水柱最高，因為B針筒最粗，水流速度最小，壓強最大；有的小組發(fā)現(xiàn)：從D針筒噴出水柱最低，因為D針筒最細(xì)，水流速度最大，壓強最小。

3.利用杠桿法測量固體的密度

在現(xiàn)在的中學(xué)物理教材中，測量物理的密度是先測量物理的質(zhì)量，接著測量物理的體積，在測量質(zhì)量及體積的過程中涉及到讀數(shù)，所以誤差比較大，但是筆者在本文中所采用的方法為利用杠桿平衡的條件測量出的物體的密度，大大減小了對固體物體的密度測量的誤差，從而提高了物體的密度的測量的精確度，實驗安全簡便，趣味性很強，容易理解。

實驗材料：燒杯，鐵架臺，杠桿，水，砝碼，待測固體。

實驗操作：

（1）調(diào)節(jié)杠桿，讓杠桿保持平衡狀態(tài)，在杠桿的右邊放入重為G的重物，在杠桿的左邊放入待測物體G1，調(diào)節(jié)杠桿使其保持平衡，利用杠桿平衡條件知：

（2）保持左邊的力臂不變，將待測固體放入裝有水的燒杯中，并且讓固體完全侵沒在水中，此時調(diào)節(jié)杠桿右邊的力臂讓杠桿再次保持平衡，此時有其中Q為固體在水中所受到的浮力。

在常溫下水的密度是知道的，因此可以利用公式（4）計算出固體的密度。

實驗講解：

利用此方法來測量固體的密度方便而快捷，實驗教材來源廣泛，避免了對量筒、天平的使用，大大減小了實驗的誤差。此演示實驗也可以用于在一些邊遠(yuǎn)貧困的地區(qū)教學(xué)資源比較匱乏的學(xué)校使用。本文所設(shè)計的創(chuàng)新性實驗內(nèi)容新穎、科學(xué)、趣味性強，實驗儀器設(shè)計簡易安全，實驗效果較為明顯，學(xué)生容易理解，易于學(xué)生創(chuàng)新思維以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

結(jié)語

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，教師應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟虒W(xué)條件，充分利用有限的教學(xué)條件，改革教學(xué)模式、更新教學(xué)思路、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能充分理解教學(xué)內(nèi)容、應(yīng)用科學(xué)知識，從而能夠大膽地創(chuàng)新發(fā)明。