利用實驗與習(xí)題的結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力

張金良

(滕州市第一中學(xué) 山東 棗莊 277500)

在新課程理念的催生下，教學(xué)內(nèi)容的生活化、教學(xué)方式的靈活化、教學(xué)過程的情境化，越來越多地出現(xiàn)在物理課堂教學(xué)中.如果在物理習(xí)題教學(xué)中融入豐富多彩的實驗，增強感性認(rèn)識，理解習(xí)題情境，實現(xiàn)知識的應(yīng)用和升華，不但能夠培養(yǎng)學(xué)生利用實驗解決問題的能力，而且還可進(jìn)一步樹立“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的科學(xué)價值觀.近年來的習(xí)題實驗教學(xué)實踐，讓筆者受益匪淺.

1 演示實驗驅(qū)動問題生成

問題是思維的發(fā)動機(jī).運用演示實驗可為學(xué)生提供一個模擬實際的情境，增強“刺激的新異性和變化性”，進(jìn)而驅(qū)動問題生成.

【例1】(2011年高考廣東卷)圖1為靜電除塵器除塵機(jī)理的示意圖.塵埃在電場中通過某種機(jī)制帶電，在電場力的作用下向集塵極遷移并沉積，以達(dá)到除塵的目的.下列表述正確的是

A．到達(dá)集塵極的塵埃帶正電荷

B．電場方向由集塵極指向放電極

C．帶電塵埃所受電場力的方向與電場方向相同

D．同一位置帶電荷量越多的塵埃所受電場力越大

圖1

圖2

上課伊始教師可用飲料瓶、細(xì)銅絲、粗銅絲、高壓發(fā)生器等制作靜電除塵演示儀，模擬靜電除塵的過程.如圖2所示，飲料瓶外側(cè)繞上細(xì)銅絲，繞好后在外側(cè)粘上一層透明膠.粗銅絲插在瓶中間，將粗銅絲與細(xì)銅絲分別接高壓發(fā)生器的兩極.操作時,下方點燃多段蚊香以產(chǎn)生白煙；接通高壓開關(guān)后白煙便可立即消失；在近處還可觀察到煙塵消失瞬間的運動情況.簡單的實驗情境，直觀的實驗現(xiàn)象，學(xué)生的注意力自然聚集到一個思維點：靜電除塵器為何能夠除塵？從而引發(fā)探究問題的生成.

2 探究實驗尋找解題入口

心理學(xué)研究表明：學(xué)生對動手操作過或描述過的能記住90%.因此在物理教學(xué)中應(yīng)盡可能地創(chuàng)造條件，讓學(xué)生動手操作，在親身體驗中領(lǐng)悟物理道理.

【例2】(2004年高考全國卷)如圖3所示，ad,bd,cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿，a,b,c,d位于同一圓周上，a點為圓周的最高點，d點為最低點.每根桿上都套著一個小滑環(huán)(圖中未畫出)，三個滑環(huán)分別從a,b,c處釋放(初速為零)，用t1,t2,t3依次表示滑環(huán)到達(dá)d所用的時間，則

A．t1t2>t3

C．t3>t1>t2D．t1=t2=t3

圖3 圖4

解題前可先讓學(xué)生在“課外小實驗”活動室中完成如下實驗.如圖4(a)，用自行車圈作圓周，用光滑細(xì)鐵絲作弦，三個小球穿在鐵絲上，將三個小球同時從頂點A處由靜止釋放，發(fā)現(xiàn)三個小球同時到達(dá)圓周最低點(可同時聽到撞擊聲).學(xué)生對觀察結(jié)果感到驚訝：位移大的為什么會和位移小的下滑時間相同呢？加速度大小差別與什么有關(guān)？位移大小與什么有關(guān)？推斷均與弦的傾斜程度α有關(guān)，則導(dǎo)出S=2Rcosα，a=gcosα.學(xué)生還會自覺將裝置倒放,如圖4(b)，使三球逆向運動;發(fā)現(xiàn)三個小球仍然同時到達(dá)圓周最低點.于是,學(xué)生得出結(jié)論:物體沿著位于同一豎直圓上的所有光滑弦由靜止下滑，到達(dá)圓周最低點的時間相等(這樣的豎直圓簡稱為“等時圓”).

學(xué)習(xí)任何東西的最好途徑是自己去發(fā)現(xiàn)(數(shù)學(xué)家波利亞).通過探究實驗可讓學(xué)生“從做中學(xué)”，感悟物理模型，注重知識的“動態(tài)構(gòu)建”，體驗成功的喜悅并轉(zhuǎn)化為進(jìn)一步學(xué)習(xí)的動力.

3 設(shè)計實驗深化問題認(rèn)識

【例3】 (2010年高考浙江卷)如圖5所示，A，B兩物體疊放在一起，以相同的初速度上拋(不計空氣阻力).下列說法正確的是

圖5

A. 在上升和下降過程中物體A對物體B的壓力一定為零

B.上升過程中物體A對物體B的壓力大于物體A受到的重力

C.下降過程中物體A對物體B的壓力大于物體A受到的重力

D.在上升和下降過程中物體A對物體B的壓力等于物體A受到的重力

本題涉及物理學(xué)的“相異框架”思維問題.學(xué)生對生活中的經(jīng)驗加以推廣，導(dǎo)致了對問題理解的偏差.因為將物體拋出的過程，人只能感受到物體在離手之前的作用，離手之后的情況，則需要去推測、想象.在課堂上筆者并沒有發(fā)表觀點，而是向?qū)W生提出要求，即設(shè)計一個實驗，驗證自己的推測.

課后幾個課題小組認(rèn)真研究、設(shè)計，最終提出了實驗方案并成功演示，從而深化了對拋體運動過程中不存在壓力的認(rèn)識.

方案1 磁體吸攏實驗

如圖6所示，把兩個圓形磁體套在一根塑料棒上，異名磁極相對并盡量靠近，直至要發(fā)生吸攏為止.實驗時讓塑料棒從約2 m的高處由靜止開始豎直向下運動，就會發(fā)現(xiàn)兩塊磁體吸攏，并發(fā)生“咔噠”的撞擊聲.然后在做斜向下方運動、豎直向上運動等實驗過程,磁體均發(fā)生吸攏現(xiàn)象，原因是運動過程中磁體與棒間的彈力消失，使靜摩擦力不復(fù)存在.

圖6

方案2 音樂卡片實驗

在一個平底吊盤上放一個重物m，把生日音樂卡片A壓在重物m和吊盤之間，如圖7所示.外露發(fā)光二極管.卡上設(shè)置的開關(guān)處于自然狀態(tài)時開關(guān)閉合，二極管隨著音樂節(jié)奏發(fā)出炫目的光.當(dāng)有重物放在它上面時開關(guān)斷開，卡片“偃旗息鼓”.這樣卡片的開關(guān)直接受重物m的壓力控制.在吊盤C正下方放一塊海綿來接收、緩沖.實驗時用手提著盤的吊線B慢慢下降時“風(fēng)平浪靜”，說明重物m受到支持力.一旦松手,重物和盤做自由落體運動，音樂卡隨即熱鬧起來，直到剛一接觸海綿立刻“無聲無息”，說明重物m又恢復(fù)受支持力的作用.

圖7

陸游詩云：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”.讓學(xué)生扮演“工程師”角色，在教師引導(dǎo)下，自覺投入到實驗的設(shè)計、分析、驗證和改進(jìn)的研究中，從而使學(xué)生將學(xué)到的知識得以鞏固、擴(kuò)散與升華，實踐能力得以提高.并且通過最富創(chuàng)意方案的評選，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識與參與熱情.

4 驗證實驗求證習(xí)題答案

著名物理學(xué)家朱正元曾說：“說一千，道一萬，不如實驗看一看.”物理習(xí)題教學(xué)時還可通過實驗驗證習(xí)題答案.

【例4】 (2010年高考全國Ⅱ卷)小球A和B的質(zhì)量分別為mA和mB，且mA>mB.在某高度處將A和B先后從靜止釋放.小球A與水平面碰撞后向上彈回，在釋放處下方與釋放處距離為h的地方恰好與正在下落的小球B發(fā)生正碰.設(shè)所有碰撞都是彈性的，碰撞時間極短.求小球A,B碰撞后B上升的最大高度.

學(xué)生根據(jù)小球A,B組成的系統(tǒng)動量守恒和機(jī)械能守恒可求得小球A,B碰撞后B上升的最大高度

顯然當(dāng)mA?mB時，H=9h.

學(xué)生武斷地認(rèn)為小球反跳的高度不可能超過原釋放的高度，否則會違反能量守恒.此時完全可以用簡單的實驗進(jìn)行檢驗.如圖8所示，一彈性小球置于一彈性大球之上(小球的質(zhì)量m與大球的質(zhì)量M相比可以忽略)，于離地高h(yuǎn)處釋放.

圖8

實驗器材

乒乓球，硬質(zhì)橡膠球，網(wǎng)球,輕質(zhì)橡膠彈力球(又名“跳跳球”)

實驗步驟

(1)把一只乒乓球從10 cm處(過高很難實現(xiàn)對心碰撞，因為乒乓球受空氣阻力的影響較大)的高度釋放，落到事先放在講臺上的堅硬的玻璃上.發(fā)現(xiàn)第一次反彈后可以達(dá)到接近釋放時的高度，但無論如何不會超過這個高度(在這一高度上平放一板擋著).

(2)取彈力球，從相同高度釋放，反彈后的高度比乒乓球的反彈高度略低.

(3)把乒乓球放在彈力球上面，讓它們從原來高度落下，落地反彈以后，令人吃驚的是乒乓球比單獨下落跳得更高(能碰到20 cm處的板).

(4)參照上述做法，選用橡膠球和彈力球組合，將兩者由1 m處釋放，發(fā)現(xiàn)彈力球反彈后跳得更高，最高能碰到3.5 m的天花板.

眾目睽睽之下,學(xué)生見證奇跡的發(fā)生——小球反彈的高度大大超出自由下落的高度！“信其道，親其師”，筆者還清晰地記得當(dāng)時做實驗時學(xué)生的興奮之情，可謂溢于言表.

5 拓展實驗質(zhì)疑習(xí)題情境

思考問題時，如果沒有考慮清楚實際的物理情境，往往會得出錯誤的結(jié)論，即使在高考命題或各地調(diào)研試題中，這種情況也會出現(xiàn).此時物理實驗就成為解決問題的最好利器.

【例5】 (2010年上海市某區(qū)高考調(diào)研試題)裝飾用的彩燈，串成一串，接在220 V電源上，觀察燈的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，每個燈的燈絲(R1)引線上方繞有金屬電阻絲(R2)，如圖9所示.即使R1斷了，R2仍能導(dǎo)電.根據(jù)工作特性，R1應(yīng)該______R2(填“大于”、“等于”或“小于”)，當(dāng)其中一個或幾個燈的燈絲斷了，其余的燈將______(填“變亮”、“變暗”或“完全熄滅”).

圖9

題目提供的答案為：R1應(yīng)該小于R2；當(dāng)其中一個或幾個燈的燈絲斷了，其余的燈將變暗.事實果真如此嗎？有些學(xué)生對題目情境提出了質(zhì)疑.為此,筆者利用如圖10所示的節(jié)日彩燈引導(dǎo)學(xué)生觀察閃爍的彩燈熄滅幾只后，其余彩燈的亮度及閃爍頻率的變化.

圖10

實驗表明：其中一個小彩燈的燈絲斷裂后，其余的小彩燈還能繼續(xù)發(fā)光并且比原來更亮，閃爍的更快.顯然題目創(chuàng)設(shè)的情境是錯誤的.

筆者尋找錯誤背后隱含的教育價值，引領(lǐng)學(xué)生從錯中求知，從錯中探究.問題的奧妙源自小彩燈的特殊構(gòu)造.圖11是一款規(guī)格為“2.5 V，0.25 A”小彩燈的“解剖圖”.在燈絲導(dǎo)電支架上除了有燈絲和起固定作用的小玻璃珠外，還繞有約4圈細(xì)金屬絲.燈絲電阻冷時約為2.5 Ω，熱時約為15 Ω.細(xì)金屬絲的電阻為1 Ω，正常(低壓)情況下，由于支架表面有一層氧化銅涂層的緣故，它與燈絲支架是不導(dǎo)通的.若加上較高的電壓(如220 V)時氧化層可被擊穿，細(xì)金屬絲與燈絲支架導(dǎo)通.當(dāng)某個小彩燈的燈絲燒毀時，形成斷路，220V電壓就直接加到細(xì)金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架之間，瞬間擊穿那段細(xì)金屬絲的氧化銅涂層，細(xì)金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架導(dǎo)通.這樣其他小彩燈就能繼續(xù)工作.但由于細(xì)金屬絲的電阻較小，剩余燈泡兩端各自分擔(dān)的電壓就多了，所以比原來更亮.當(dāng)然燒毀的小彩燈太多時，其余小彩燈也會因為電壓過高而全部燒毀.

圖11 圖12

彩燈能夠閃爍完全歸功于如圖12(a)所示的與眾不同的 “跳泡”.在常溫下跳泡中間豎立的雙金屬片和旁邊的倒L形引線相接觸，電流通過燈絲時，燈絲發(fā)熱發(fā)光，右側(cè)的雙金屬片受熱膨脹向右彎曲，如圖12(b)所示，使電路斷開，整串彩燈都不發(fā)光.斷電后，右側(cè)雙金屬片受冷收縮后又向左側(cè)彎曲，使電路變成通路，整串彩燈發(fā)光.當(dāng)其中一個或幾個燈的燈絲斷了，整個電路電阻變小，電流變大.根據(jù)焦耳定律，燈絲產(chǎn)生的熱量增大，可以更快的使雙金屬片受熱彎曲，雙金屬片受熱形變頻率加快導(dǎo)致跳泡通斷的頻率加快;所以其他彩燈閃爍的更快.

英國科學(xué)家波意耳說：“知識應(yīng)該從實驗中來;實驗是最好的老師”.作為一位物理教師，如果能夠給學(xué)生提供豐富多彩的課程資源，創(chuàng)設(shè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，跳出題目和公式的藩籬，讓學(xué)生在“自然”的“原始”的條件下學(xué)習(xí)，才能享受到學(xué)習(xí)的樂趣，領(lǐng)略物理的魅力與美麗.