以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為探究載體演繹物理本源

胡 甜

(江蘇省常州高級中學(xué) 江蘇 常州 213003)

1 引言

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科．作為自然學(xué)科的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙天體、小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動形式和規(guī)律，成為所有自然科學(xué)學(xué)科的研究根基．物理學(xué)的理論結(jié)構(gòu)充沛地運(yùn)用數(shù)學(xué)作為工作語言，以實(shí)驗(yàn)作為檢驗(yàn)理論的唯一準(zhǔn)繩，是當(dāng)今最精密的一門自然科學(xué)學(xué)科．高中物理教學(xué)，作為銜接以直接經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的初中物理和以高等數(shù)學(xué)為載體的理論物理的關(guān)鍵階段，理應(yīng)展示各種類型的物理實(shí)驗(yàn)，具體形象地展示物理知識的形成和發(fā)展過程，強(qiáng)化學(xué)生的感知并及時(shí)糾正在感知中形成的錯覺，從而達(dá)到豐富學(xué)生頭腦中感性材料的儲存及發(fā)展智力和培養(yǎng)能力的目的，系統(tǒng)構(gòu)建學(xué)生的自然科學(xué)知識體系．

本文以人教版《物理·選修3-4》第十一章第1節(jié)“簡諧運(yùn)動”為例，談?wù)劵趥鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)創(chuàng)新對學(xué)生知識體系構(gòu)建的重要影響．

簡諧運(yùn)動是自然界最簡單、最基本的機(jī)械振動，是物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比，并且總指向平衡位置的回復(fù)力作用下的振動，弄清簡諧運(yùn)動的規(guī)律對進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械波、交流電、電磁波等都具有非常重要的意義．而簡諧運(yùn)動的模型分析方法正是高中生的學(xué)習(xí)盲點(diǎn)之一，剛進(jìn)入高二年級的學(xué)生思維具有單一性和定式性，他們習(xí)慣于分析恒力作用下物體的單程運(yùn)動，對簡諧運(yùn)動的動力學(xué)多量分析會感到有些困難．因此，教材直接從運(yùn)動學(xué)角度來定義簡諧運(yùn)動，把“位移與時(shí)間的關(guān)系遵從正弦函數(shù)規(guī)律的振動”稱為簡諧運(yùn)動．這種改動符合高中生從運(yùn)動學(xué)特征對質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動進(jìn)行分類的認(rèn)知習(xí)慣[1]，降低了教學(xué)難度．但在大多數(shù)課堂上，無論是簡單直觀的彈簧振子，還是精微深奧的等時(shí)單擺，都只能通過演示振子的運(yùn)動過程幫助學(xué)生分析歸納運(yùn)動的特點(diǎn)，不能在課堂上直接呈現(xiàn)簡諧運(yùn)動的本質(zhì)精髓——振動圖像(x-t圖)是一條正弦曲線．

2 振動圖像的描繪

下面介紹兩種對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，幫助學(xué)生在課堂上體味簡諧運(yùn)動的正弦規(guī)律．

2.1 自制振動圖像描繪器

高中物理探究洛倫茲力時(shí)，教師利用電子感應(yīng)圈產(chǎn)生的10～100 kV高壓使陰極射線管的陰極發(fā)出電子流．其實(shí)，電子感應(yīng)圈是一種可調(diào)的多用途高壓電源，除了上述作用以外，還可用做低氣壓放電管、光譜管、倫琴射線管等的高壓電源，也可演示空氣中的火花放電現(xiàn)象、固液體介質(zhì)的電擊穿現(xiàn)象和在空氣中取得臭氧的用途．若把感應(yīng)圈的兩極分別接觸靠近且相互絕緣的兩導(dǎo)體就有可能發(fā)生火花放電，而如果把高一時(shí)使用過的電火花式打點(diǎn)計(jì)時(shí)器配件——墨粉紙盤作為導(dǎo)體之一的話，利用放電瞬間石墨受熱打點(diǎn)就可以記錄另一導(dǎo)體的運(yùn)動軌跡．基于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)靈感，教師可采用相似的裝置自制彈簧振子的振動圖像描繪器．

如圖1所示，在一個具備簡易氣墊導(dǎo)軌裝置的水平彈簧振子中央固定一根細(xì)長銅絲，桌上放置一塊透明的有機(jī)玻璃，有機(jī)玻璃上表面有序地粘連一列墨粉紙盤，墨粉紙盤上方放置一張長條形的白紙．電子感應(yīng)圈不接放電針，通電后把產(chǎn)生的高壓用導(dǎo)線加在銅絲和墨粉紙盤之間，振子左右振動時(shí)，帶動細(xì)銅絲同步振動，銅絲和墨粉紙盤通過中間的絕緣體白紙不斷火花放電，在白紙上不斷打點(diǎn)．若事先在白紙中央畫一條直線OO′使它平行于紙的長邊，作為圖像的橫軸，操作者只要沿OO′的方向勻速地拖動白紙，振子的x-t圖就完整地記錄下來了，如圖2所示．

圖1 自制振動圖像描繪器

圖2 振子x-t圖

這種自制振動圖像描繪器與教材上推薦的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)——合作模擬振動曲線(圖3)類似卻更加精確和形象，能讓學(xué)生身臨其境振動圖像的產(chǎn)生過程，充分體驗(yàn)真正彈簧振子的位移隨時(shí)間的變化情況．

圖3 教材上的合作模擬振動曲線

課堂上，結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生邊觀察邊思考.

問題一：白紙上OO′軸的坐標(biāo)代表什么物理量？

問題二：若勻速拖動白紙的速度v已知，在OO′軸上應(yīng)該怎樣標(biāo)出時(shí)間的坐標(biāo)刻度？

問題三：這個圖像是不是彈簧振子的運(yùn)動軌跡？如果不是，那彈簧振子的軌跡是怎樣的？

問題一和問題二是關(guān)于怎樣把橫軸由水平移動位移軸轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)間軸的思維過渡，問題三是明確描點(diǎn)成圖的結(jié)果是位移時(shí)間關(guān)系而不是單純的軌跡情況．只要把這3個問題解決好，學(xué)生對彈簧振子的位移-時(shí)間圖像的來龍去脈和根源本質(zhì)理解透徹，通過觀察和分析得到振子在每個時(shí)刻的位移和速度特征，就能順利構(gòu)建出簡諧運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)知識體系．

通過電子感應(yīng)圈發(fā)生的火花放電現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)趣味性的實(shí)驗(yàn)演示，巧妙地描繪出彈簧振子的位移-時(shí)間圖像，使簡諧運(yùn)動的概念變虛為實(shí)，同時(shí)也能有效地激發(fā)學(xué)生的好奇心理，喚起學(xué)生思索的欲望，培養(yǎng)堅(jiān)持真理、勇于創(chuàng)新和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度．

2.2 用常見軟件ppt擬合正弦曲線

利用彈簧振子頻閃照片也能得到精確的位移-時(shí)間曲線．只要選擇若干個位置，用刻度尺量出各個位置的橫縱坐標(biāo)，代入根據(jù)圖像寫出的正弦函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行檢驗(yàn)；也能測量小球在各個位置的橫縱坐標(biāo)，把測量值輸入計(jì)算機(jī)，用軟件作出這條曲線，再用正弦函數(shù)曲線擬合．這兩種方法雖然簡單易懂，但是在課堂上操作恐怕會受時(shí)間因素的影響．因此，這里介紹一種簡潔、直觀、快捷的方法——用ppt擬合正弦曲線．

如圖4所示，事先拍攝好彈簧振子運(yùn)動兩個以上周期的視頻，并且把視頻分解成幀，然后打開一張空白的ppt，把這些相隔相等時(shí)間的照片插入同一張幻燈片中，照片會按拍攝時(shí)間的先后一幀一幀地自動向右平鋪，接著全選所有照片并左對齊，便能得到鋼球在不同時(shí)刻的位置，每張照片的上下排列間距默認(rèn)值相同，相當(dāng)于把經(jīng)過相等時(shí)間間隔的鋼球位置完整記錄下來了．

圖4 擬合正弦曲線

3 結(jié)束語

這種方法的高明之處在于巧妙運(yùn)用Microsoft powerpoint中圖片插入的次序規(guī)律和對齊處理的特點(diǎn)，操作便捷，分秒之間彈簧振子的振動圖像一目了然，輕松引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入直觀、形象、模擬的場景，使學(xué)生猶如身臨其境，探究積極性和學(xué)習(xí)興趣倍增．當(dāng)然，在操作過程中也有一些注意事項(xiàng)：比如說拍視頻的過程中，最好采用豎直的彈簧振子，振動幅度不能太大，不然平衡位置處的速度太大，相應(yīng)的那幀照片中振子就是一條模糊的線，質(zhì)點(diǎn)模型不夠直觀，振動幅度也不能太小，不然正弦規(guī)律不明朗；視頻的取景最好讓彈簧振子的振動軌跡靠近視頻框的邊緣，使照片左對齊的時(shí)候能讓彈簧振子顯露出來，清晰精確地描繪出振動曲線．

當(dāng)然，作為自然界中最簡單的變加速過程——簡諧運(yùn)動，它的運(yùn)動規(guī)律中展示出來的正弦美和對稱美不僅僅可以通過上述兩種方法實(shí)現(xiàn)，物理課堂還能變幻出更豐富更多元的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)手法．物理教師要針對高中物理教材和學(xué)生現(xiàn)有狀況充分分析，引導(dǎo)學(xué)生去理解規(guī)律、探究本源，從而構(gòu)建具有個性化的物理知識體系．具體措施可以考慮結(jié)合現(xiàn)代多媒體技術(shù)和數(shù)字化工具改進(jìn)已有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置合理的教學(xué)層次，實(shí)施適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，降低思維和理解的“臺階”，保護(hù)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的動力和興趣，幫助學(xué)生樹立起學(xué)好物理的信心．

參 考 文 獻(xiàn)

1 胡紀(jì)明.“簡諧運(yùn)動”教學(xué)設(shè)計(jì).中學(xué)物理教學(xué)參考，2010,39(3)：20～22