關(guān)注趣味物理實驗的教學(xué)

卞昕文 王偉

摘 要：以選修課或校本課程為平臺，如何充分利用實驗資源，深入開展趣味物理實驗的教學(xué)是一個值得關(guān)注的問題。文章從定性分析、定量解釋、拓展探究三方面展示案例進(jìn)行說明，以供參考。

關(guān)鍵詞：趣味物理；實驗；教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）12-0044-3

1 引 言

趣味物理實驗資源的開發(fā)和應(yīng)用日益受到重視，物理教師經(jīng)常用趣味實驗創(chuàng)設(shè)情境，制造奇妙的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到更好的課堂效果。然而，趣味物理實驗的教學(xué)并沒有得到足夠的關(guān)注，還有很大的發(fā)展空間。教師應(yīng)該積極關(guān)注趣味實驗中的物理知識，充分利用物理趣味實驗的資源，進(jìn)一步開展科學(xué)探究活動，開發(fā)校本課程，帶領(lǐng)學(xué)生體會科學(xué)方法和過程。

2 定性分析實驗現(xiàn)象

定性分析實驗現(xiàn)象應(yīng)該成為趣味物理實驗教學(xué)最基礎(chǔ)的知識要求。學(xué)生通常很容易被趣味物理實驗的現(xiàn)象吸引，能夠直觀感受到這個現(xiàn)象中蘊含了哪方面的物理知識點，但不會深入剖析。教師要善于抓住契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，如何在具體的實驗情境下應(yīng)用物理知識定性分析，把充滿知識的物理過程詳盡、鮮活地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。

案例1：小兔下坡

如圖1所示，在一斜坡上放置一只玩具小兔，手松開后小兔雙腳連續(xù)不斷地分開、合攏，前后搖擺走下斜坡。

圖1 小兔下坡

教師通常用重心和能量的知識解釋這個實驗現(xiàn)象，但沒有具體分析下坡的物理過程。引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察玩具，就會發(fā)現(xiàn)小兔的兩只腳中，只有后面一只是活動的。小兔下坡的動作是不斷重復(fù)的，具有周期性。為了方便對其進(jìn)行定性分析，可以將小兔頭部處于最低點，到處于最高點，再到最低點的過程看作一個周期。

由實驗現(xiàn)象可以推斷出重心在小兔兩腳之間，小兔頭部處于最低點時，兩腳并攏，前腳為支撐，重心在前腳后方，這使得小兔向后擺動，兩腳尚未分開，此過程重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，后腳著地作為支撐，前腳離地。在重力勢能不能再減小時，由于慣性，小兔以后腳為支撐繼續(xù)向后擺動，動能向重力勢能轉(zhuǎn)變，直到尾部與斜坡碰撞，速度變?yōu)榱?，此處因為非彈性碰撞會有能量損失，頭部處于最高點。因為此時重心處于后腳前方，小兔會向前擺動，前腳隨身體與后腳分開“向前邁開腳步”，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，直到前腳著地又作為支撐，可以活動的后腳由于重力作用自動向前腳并攏，在與前腳碰撞的過程中伴隨著能量的損耗。在重心到達(dá)又一個極低點時同樣由于慣性，小兔會以前腳為支撐繼續(xù)向前擺動，動能向重力勢能轉(zhuǎn)化，直到頭部再次處于最低點，動能全部轉(zhuǎn)化為重力勢能，回到周期初始的狀態(tài)。在完成一步行走的過程中，不斷減小的重力勢能彌補了過程中的能量損失，如此循環(huán)往復(fù)，小兔會沿著斜坡一直走下去。

教師在定性分析實驗現(xiàn)象時，要注意引導(dǎo)學(xué)生耐心地分析詳細(xì)過程，這有助于提高學(xué)生的觀察和思考能力。

3 定量解釋實驗結(jié)果

定量解釋實驗結(jié)果是趣味物理實驗教學(xué)中對學(xué)生物理知識與能力的進(jìn)一步提升。對具象的實驗情境進(jìn)行理論提煉，定量計算，再結(jié)合實際定量解釋的過程使學(xué)生強化了對物理知識的理解，而且為學(xué)生搭建了理論和實驗的橋梁。

案例2：哪個球滾得更快

如圖2所示，有兩個軌道的坡度和長度相同，但寬窄不同。將兩個籃球分別在兩個軌道上從同一高度同時釋放，到達(dá)終點的時間是不同的。

圖2 哪個球滾得更快

軌道上的籃球受到重力、支持力、摩擦力。重力豎直向下。兩個支持力分別垂直于桿指向球心。摩擦力有兩部分，一部分沿桿向上，一部分同時垂直于桿和球心與桿接觸點的連線斜向上。在球無滑滾動的過程中，只有重力做功，支持力和摩擦力不做功，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。根據(jù)柯尼希定理，動能分為質(zhì)心平動動能 mv 和繞質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動動能 Icω2。用Ek表示籃球的動能，兩球下落同樣的高度h，則有：

Ek=mgh= mv + Icω2

其中，m為籃球的質(zhì)量，vc為質(zhì)心的運動速度，ω為籃球繞質(zhì)心軸轉(zhuǎn)動的角速度，Ic為籃球?qū)^球心轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量?；@球的剖面圖如圖3所示，R為籃球的半徑，將籃球看作一個薄球殼，則Ic= mR2。假設(shè)籃球在一平面滾動，并視為無滑滾動，質(zhì)心速度和角速度之間的關(guān)系為vc=ωr。由于籃球是在兩桿之間向下滾落，用2L表示兩桿之間的距離（0

v =

從上式可以看出，當(dāng)L越大，vc越小。即同時下落相同的高度，兩桿之間的距離越大，籃球滑到底端時的質(zhì)心速度越小，因為是勻加速，平均速度也越小，則所需要的時間越長；兩桿之間的距離越小，籃球的質(zhì)心速度越大，平均速度也越大，則所需要的時間越短。

為了驗證理論的正確性，教師可以鼓勵學(xué)生去測量軌道的長度、高度、寬度和籃球的質(zhì)量、半徑、下落時間，與理論進(jìn)行對比。

4 探究實驗的普遍規(guī)律

探究實驗的普遍規(guī)律是趣味物理實驗教學(xué)全面實現(xiàn)教學(xué)三維目標(biāo)的契機(jī)。探究過程不僅要求學(xué)生對物理知識有一定掌握，而且要求學(xué)生作為獨立的探究者，通過實驗總結(jié)規(guī)律，建立理論，通過理論預(yù)測實驗現(xiàn)象，然后用實驗檢驗并修正理論。在經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中，學(xué)生強化了對物理知識的掌握，學(xué)到了科學(xué)的方法，樹立了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)觀。在物理教材中有很多規(guī)律是通過實驗探究得到的，學(xué)生對其非常熟悉，顯得平淡無奇，課后探究新穎的趣味物理實驗規(guī)律的形式更有助于學(xué)生在“過程與方法”“情感、態(tài)度與價值觀”的層面上得到提高。

案例3：音棒中的駐波

用手指捏住一根鋁棒的中點，敲擊其中一端，聽到響聲由大變小，由混雜變單純，持續(xù)時間長?；蛴檬种改笞′X材中點的同時，另一只手抹適量松香粉沿同一方向不斷摩擦鋁棒，能聽到純正持久的響聲。

這個實驗的現(xiàn)象明顯，劉炳昇和仲扣莊老師曾在《關(guān)注用物理知識分析和解決實驗問題》一文中解釋了該實驗的原理[2]。物理教師還可以進(jìn)一步拓展，測量聲音的頻率，通過理論推理建立駐波的模型，引導(dǎo)學(xué)生探究這個實驗的普遍規(guī)律。

常見的駐波通常是由前進(jìn)波與其在某界面的反射波疊加形成的，但不滿足鋁棒本征頻率的波也不會形成駐波。在實驗中，鋁棒兩端沒有固定，可視為自由端，波在自由端界面處發(fā)生反射疊加形成駐波。教師可以引導(dǎo)學(xué)生猜測界面處為波腹，手指捏住的點為波節(jié)，據(jù)此建立相應(yīng)的駐波模型。鋁棒在實驗中產(chǎn)生的既有基波又有很多諧波，其中基波頻率最低，衰減最慢，持續(xù)時間長，從而判斷最后聽到的應(yīng)該是基波頻率。

在建立的駐波模型中，規(guī)定鋁棒長度為L，波長為λ，波節(jié)數(shù)為N，則N=1，L= λ；N=2，L= λ；N=3，L= λ……L= λ。當(dāng)N=1，波節(jié)在鋁棒的 處；當(dāng)N=3，鋁棒的 、 、 處都是波節(jié)。

波長和頻率的關(guān)系λ= ，所以基波頻率與鋁棒長度、手捏的位置之間應(yīng)該滿足：

f=

為了驗證理論，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將波節(jié)控制在鋁棒的 、 、 、 、 處，使用長短不同的四根鋁棒進(jìn)行了多次實驗，利用虛擬示波器測量頻率，記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果將與理論值十分接近，從而得出普遍規(guī)律。

5 結(jié)束語

趣味物理實驗資源十分豐富，學(xué)校的選修課是一個很好的平臺，但趣味物理實驗教學(xué)方面還沒有得到足夠重視。物理教師要善于充分利用趣味物理實驗資源，全方面提升學(xué)生的知識和技能，讓學(xué)生體會科學(xué)過程方法，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和拓展求新的科學(xué)精神。如何更好地深入開展趣味物理實驗的教學(xué)是一個值得關(guān)注的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]漆安慎，杜嬋英.普通物理學(xué)教程：力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]劉炳昇，仲扣莊.關(guān)注用物理知識分析和解決實驗問題[J].物理教學(xué)，2011，33（9）：26-29.

（欄目編輯 王柏廬）