充分挖掘素材 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)
——“魔罐”實(shí)驗(yàn)引出的思考

倪紅飛

(江蘇省太倉市教師發(fā)展中心，江蘇 太倉 215400)

在機(jī)械能守恒定律的教學(xué)中,很多教師用“魔罐”實(shí)驗(yàn)作為課題的引入．

將一個(gè)普通的罐子放在桌面上,向前一推,會(huì)向前滾動(dòng),越滾越慢,最后停下．

然后,再用“魔罐”重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn):將“魔罐” 放在桌面上,用力向前一推,它滾動(dòng)的速度逐漸變小,當(dāng)它停止前進(jìn)后,竟反向運(yùn)動(dòng),神奇地回到出發(fā)點(diǎn)．更神奇的是,如果讓“魔罐”從斜面上滾下,當(dāng)它停止前進(jìn)后,竟反向沿斜面滾回出發(fā)點(diǎn)．

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢?“魔罐”實(shí)驗(yàn)引發(fā)了學(xué)生的猜想,揭開了學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律的序幕．

“魔罐”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的成功主要抓住了兩個(gè)關(guān)鍵: (1) 滿足了學(xué)生的好奇心,激起學(xué)習(xí)興趣;(2) 對(duì) “魔罐”內(nèi)部結(jié)構(gòu)的猜想,引發(fā)了學(xué)生的探究．作為作為機(jī)械能轉(zhuǎn)化和守恒的課堂引入,確實(shí)起到了很好的效果．

“魔罐”的制作原理如下.

如圖1,“魔罐”是由帶蓋的圓柱形鐵皮罐,橡皮筋、大螺母、細(xì)線、鐵釘、錘子組合而成． 在罐底和蓋子上各穿兩個(gè)小孔,將橡皮筋穿過小孔,讓橡皮筋在罐中交叉,在交叉點(diǎn)上用線系上一個(gè)大螺母(或其他重物)．蓋上蓋子,把橡皮筋兩頭打上結(jié),魔罐就制成了．

圖1

罐子在向前滾動(dòng)中,利用螺母重量,使橡皮筋絞緊,在這個(gè)過程中,罐子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢(shì)能．當(dāng)它停止前進(jìn),在返回過程中,橡皮筋的彈性勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為罐子的動(dòng)能,罐子會(huì)自動(dòng)地反向運(yùn)動(dòng),回到出發(fā)點(diǎn)．如果橡皮筋的彈性勢(shì)能足夠大,桌面又比較光滑,罐子返回過程甚至?xí)h(yuǎn)遠(yuǎn)地超過出發(fā)點(diǎn)．橡皮筋的彈性勢(shì)能與罐子的動(dòng)能不斷互相轉(zhuǎn)化,罐子會(huì)來回作往復(fù)滾動(dòng),直到能量消耗完畢．

其實(shí),“魔罐”實(shí)驗(yàn)是一個(gè)設(shè)計(jì)思想非常巧妙的裝置．由于涉及的問題具有綜合性、真實(shí)性、復(fù)雜性,要徹底搞清問題的本質(zhì),對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維能力提出了極高的要求．學(xué)生要具備構(gòu)建模型的意識(shí)和能力,解決問題的過程中遇到障礙時(shí),能夠及時(shí)改變研究的策略,對(duì)于研究結(jié)果的分析,要具有批判性思維的意識(shí),要具有從不同角度思考問題的能力,最終發(fā)現(xiàn)問題背后本質(zhì)性的東西．

對(duì)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),如何進(jìn)一步挖掘它的素材,讓學(xué)生真正“卷入到問題學(xué)習(xí)”中來,在問題的研究中,促進(jìn)學(xué)生的深度思考,從而更好地體現(xiàn)它的教學(xué)價(jià)值,引起了筆者的思考．經(jīng)過仔細(xì)分析研究,筆者設(shè)計(jì)了關(guān)于“魔罐實(shí)驗(yàn)”的深度學(xué)習(xí)的課題研究,從3個(gè)方面進(jìn)行了了挖掘．

1 制作兩種“魔罐”,完善探究過程

“魔罐”實(shí)驗(yàn)的演示,采用了“黑箱”模型的思想,通過“魔罐”內(nèi)部機(jī)械能間轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了神奇的效果．“黑箱”模型的設(shè)計(jì),利用物理現(xiàn)象與日常經(jīng)驗(yàn)的認(rèn)知沖突,激發(fā)了學(xué)生探究的熱情與興趣．“激趣”的實(shí)驗(yàn)功能在此發(fā)揮了作用．

在揭秘的過程中,更多的是從“魔罐”內(nèi)部的結(jié)構(gòu),從理論上進(jìn)行分析了“魔罐”內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化的過程.雖然也可行，如果能直接觀察到運(yùn)動(dòng)過程中“魔罐”內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化,作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)本身則更有說服力．

在教學(xué)過程中,建議設(shè)計(jì)兩種“魔罐”．用封閉金屬罐制成的“黑箱”“魔罐”用于演示實(shí)驗(yàn),通過“魔罐”內(nèi)部機(jī)械能間轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的神奇效果,來激發(fā)學(xué)生探究的熱情;用透明的塑料瓶制成的“白箱”模型的“魔罐” 用于觀察機(jī)械能間轉(zhuǎn)化的具體過程,從而檢驗(yàn)原來的猜想．

“白箱”模型的“魔罐”的制作十分方便,可以在課堂上讓各個(gè)小組自制一個(gè)透明的“魔罐”．“白箱”模型的“魔罐” 制作如圖2.

圖2

(1) 先準(zhǔn)備一個(gè)直徑為8～10 cm的、帶扣蓋的塑料瓶．在瓶底圓周的一條直徑上,離圓心為2 cm處各打一個(gè)小孔,則兩個(gè)孔之間的距離為4 cm．瓶蓋上也打同樣的兩個(gè)孔．

(2) 用錐子將兩根橡皮筋的兩個(gè)頭分別穿入瓶底的兩個(gè)小孔．

(3) 將已在瓶內(nèi)的兩根橡皮筋的另兩個(gè)頭再穿過瓶蓋的兩個(gè)孔,并使橡皮筋在瓶內(nèi)成交叉狀．但此時(shí)不要將瓶蓋外的橡皮筋的兩個(gè)頭系緊．

(4) 用一段細(xì)金屬絲的一端緊緊系住一個(gè)50 g的重物,重物的形狀為U型,如圖所示．用金屬絲的另一端將重物系在橡皮筋的中間,盡可能系緊些．

(5) 扣上瓶蓋,拉直橡皮筋,使重物位于瓶子的中部;再將瓶子外邊的橡皮筋的頭系緊．注意系重物的金屬絲不要過長,以免重物碰撞瓶壁．

(6) 一手使瓶子保持水平,另一手轉(zhuǎn)動(dòng)瓶子,大約轉(zhuǎn)40周．

“魔罐” 制作完畢后,讓各小組重復(fù)了演示實(shí)驗(yàn)的過程.

先將瓶子放在水平桌面上并向前推一下,瓶子將自動(dòng)滾回來;再試著將瓶子推下一個(gè)較為平緩的斜面,看看它是否可以自動(dòng)滾上斜面．

并觀察前后兩個(gè)過程,“魔罐”內(nèi)機(jī)械能的轉(zhuǎn)化．

這樣,把原來的演示過程與小組活動(dòng)結(jié)合起來,使探究過程更加豐滿,教學(xué)的過程真正變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)問題——提出猜想——研究問題——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的完整過程．

2 進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),探究問題本質(zhì)

解釋“魔罐”反向運(yùn)動(dòng)的奧秘時(shí),大多數(shù)教師僅從能量角度進(jìn)行分析,對(duì)于這樣的解釋,有些學(xué)生是不滿意的,仍心存疑問．從牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析,力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,罐子內(nèi)部的內(nèi)力是無法改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的,使罐子返回的外力是誰提供的?其產(chǎn)生的機(jī)理是什么?

有些教師可能還認(rèn)為,既然從能量角度已經(jīng)合理地說明了問題,這樣的討論就多此一舉了．但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這個(gè)問題確實(shí)擊中了要害．因?yàn)橄鹌そ钪械膹椓?對(duì)“魔罐”整體而言是內(nèi)力,內(nèi)力無法改變“魔罐”整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．那么,問題的關(guān)鍵在哪里呢?

引導(dǎo)學(xué)生從“魔罐”力學(xué)結(jié)構(gòu)的分析,去尋找問題的答案．

圖3

當(dāng)“魔罐”向前滾動(dòng)時(shí),由于U型重物的重量,使橡皮筋絞緊,在這個(gè)過程中,罐子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢(shì)能．但是,如果U型重物始終不偏離平衡位置,橡皮筋的形變的彈力無法提供罐子返回所需要的動(dòng)力．只有當(dāng)U型重物偏離平衡位置時(shí),U型重物會(huì)產(chǎn)生一力矩,如圖3,根據(jù)U型重物與橡皮筋整體的力矩平衡,此時(shí)U型重物重力產(chǎn)生的逆時(shí)針方向的力矩與罐子對(duì)橡皮筋作用的順時(shí)針方向的力矩相等．

圖4

根據(jù)作用反作用原理,此時(shí)橡皮筋對(duì)罐子作用了一個(gè)逆時(shí)針方向的力矩,如圖4,根據(jù)罐子的力矩平衡,地面會(huì)對(duì)罐子產(chǎn)生一個(gè)向左的摩擦力,這個(gè)摩擦力就是使罐子返回的動(dòng)力．

為了進(jìn)一步說明問題,讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)．

圖5

如圖5,有一小木板代替U型重物．先用小木板使橡皮筋絞緊,再用細(xì)線將一小木板一端與罐子內(nèi)壁相連．表面是看,與如圖4結(jié)構(gòu)類似,當(dāng)罐子放在水平面上時(shí),卻紋絲不動(dòng)．因?yàn)榇藭r(shí)橡皮筋對(duì)罐子作用了一個(gè)逆時(shí)針方向的力矩與拉力對(duì)罐子作用了一個(gè)順時(shí)針方向的力矩完全抵消,無法獲得向前的動(dòng)力．

所以,從力學(xué)結(jié)構(gòu)的分析,重物偏離平衡位置時(shí)其重力產(chǎn)生的力矩,是“魔罐”獲得向前動(dòng)力的根本原因．

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),增加實(shí)驗(yàn)效果

圖6

在“魔罐”實(shí)驗(yàn)的演示中,讓罐子在平面上返回,實(shí)驗(yàn)比較容易成功,讓“魔罐”沿斜面滾回的實(shí)驗(yàn),不容易成功．所以,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者強(qiáng)調(diào)“讓它從不太陡的斜面上滾下”．

那么,讓“魔罐”沿斜面滾回的關(guān)鍵在哪里呢?如何改進(jìn)“魔罐”設(shè)計(jì),增加實(shí)驗(yàn)的成功率?

經(jīng)過研究,讓學(xué)生找到了使“魔罐”沿斜面滾回的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)．

將原來用金屬絲直接系在橡皮筋的中間的重物系在桿子一端,組成一杠桿．隨著橡皮筋不斷絞緊小木板端點(diǎn)不斷提高,使重物產(chǎn)生的力矩不斷增加,當(dāng)物體G2的重心在斜面與罐子切點(diǎn)的左側(cè),物體重力G2產(chǎn)生的逆時(shí)針方向的力矩大于罐子重力G1產(chǎn)生的順時(shí)針方向的力矩時(shí),“魔罐”有沿斜面向上滾動(dòng)的趨勢(shì),兩者力矩差越大,向上滾動(dòng)的趨勢(shì)越明顯,斜面對(duì)罐子作用的向上的摩擦力也就越大,當(dāng)罐子速度為0后,“魔罐”自動(dòng)返回．杠桿的設(shè)計(jì),增加了G2到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離,使G2的重心能夠到達(dá)斜面與罐子切點(diǎn)的左側(cè),成為設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵性因素．當(dāng)然,罐子選擇越輕,重物選擇越重,實(shí)驗(yàn)越容易成功．

“魔罐”實(shí)驗(yàn)的研究,引出的思考很有代表性．在平時(shí)的教學(xué)中,有許多隱藏在習(xí)以為常背后的問題,仔細(xì)研究,會(huì)發(fā)現(xiàn)許多有價(jià)值的東西,而這些東西恰恰是學(xué)科核心素養(yǎng)的價(jià)值所在．