利用微創(chuàng)新實驗突破初中物理教學的重難點
——以蘇科版物理“力 彈力”教學為例

■李 翔

《義務教育物理課程標準》（2011年版）提出，物理課程是一門注重實驗的自然科學基礎課程。此階段的物理課程應該讓學生經(jīng)歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題及解決問題的能力。在物理教學中，實驗扮演著重要的角色：既是教學的必須內(nèi)容和必備手段，同時也是知識發(fā)生、發(fā)展的必要載體。下面筆者就以蘇科版物理“力 彈力”這節(jié)課的教學為例，談談如何利用微創(chuàng)新實驗去突破本節(jié)課的重難點。

重難點一：接觸的兩個物體間一定會產(chǎn)生彈力作用嗎？

解決這一問題，教師的通常做法是：將兩個粉筆盒靠在一起，拿走其中一個，另一個不會動，說明即使兩個物體接觸，也不一定會產(chǎn)生彈力作用。但是盒子與桌面之間有較大的摩擦力，用兩個小球代替盒子來做實驗效果會好很多。我們還可以設置一組對照實驗來突破這一重難點。將兩個灌滿沙子的乒乓球（灌滿沙子的目的是增大慣性，使其運動狀態(tài)不易改變）用細線懸掛在鐵架臺的橫桿上，改變兩根懸線的距離，使其等于乒乓球的直徑。輕輕撥開一個乒乓球，另一個乒乓球紋絲不動（圖1）。將懸掛點靠攏，再撥開一個乒乓球，另一個乒乓球開始擺動，如圖2所示。通過這組對照實驗，學生能直觀地認識到：產(chǎn)生彈力的必要條件不只是兩物體要接觸，還有兩個物體要相互擠壓，發(fā)生彈性形變。

圖1

圖2

重難點二：如何區(qū)分彈性形變與范性形變？

發(fā)生形變的物體撤去外力后能恢復原狀，這種形變叫彈性形變；發(fā)生形變的物體撤去外力后不能恢復原狀，這種形變叫范性形變。由于彈力的產(chǎn)生需要物體發(fā)生彈性形變，所以蘇科版初中物理教材只講解了彈性形變，而沒有涉及范性形變。但是筆者認為，彈性形變與范性形變對比著講解，能讓學生更深層次地理解“形變”這個概念，特別是理解：得出“在彈性限度內(nèi)，彈簧所受外力越大，彈簧的形變量就越大”這一結(jié)論時，為什么要強調(diào)“在彈性限度內(nèi)”。

我們可以讓學生取下圓珠筆里面的小彈簧，當用很小的力拉動時，彈簧能恢復原狀；當用較大的力拉動時，彈簧不能恢復原狀，如圖3和圖4所示。這樣學生很容易理解彈性形變與范性形變的區(qū)別，也能直觀地認識到外力足夠大時，彈性形變也能轉(zhuǎn)變成范性形變。

圖3

圖4

重難點三：如何體現(xiàn)微小或瞬間形變？

初中蘇科版物理教材設計關于彈力的實驗時，用到了幾種容易發(fā)生彈性形變的物體，如：氣球、彈簧、橡皮筋、塑料尺等。這些器材容易從身邊獲取，也能直觀地說明彈力產(chǎn)生的原因之一：發(fā)生彈性形變。但是對于桌子、玻璃杯等這類表面相對堅硬的物體而言，彈性形變很難體現(xiàn)。如何體現(xiàn)微小形變很考驗教師的教學智慧。

常見的一種方法是：在一個密封的玻璃瓶中插一根透明的吸管，玻璃瓶內(nèi)裝滿染成紅色的水，吸管內(nèi)液面高于瓶口，如圖5所示。當用力擠壓玻璃瓶的側(cè)壁時，能看到吸管中的液柱有明顯上升；當松手時，液面又下降至原來的位置。堅硬的玻璃表面發(fā)生的彈性形變雖然肉眼察覺不到，但是可以通過這種“放大法”直觀地呈現(xiàn)。另一種常見的方法是通過光的反射來放大微小形變。我們知道，入射光線固定，如果平面鏡轉(zhuǎn)過θ角，則法線也轉(zhuǎn)過θ，而反射光線轉(zhuǎn)過2θ。如圖6，在桌面上放置一塊較大的平面鏡，在鐵架臺上固定一塊較小的平面鏡。讓一束激光從同一方向入射，光經(jīng)過兩次反射，射到木板上的一點。當桌面上放置一個重物時，發(fā)現(xiàn)光斑發(fā)生了較大的位移。通過該實驗很容易推理出：重物對桌面的壓力導致桌面發(fā)生了微小形變。

圖6

足球的表面雖然不如桌面堅硬，但是足球砸在地上或人的臉上時發(fā)生的形變也很難察覺，這是由于球速太快，形變的時間太短。筆者給足球拍攝一段慢動作視頻，將足球形變的速度放慢。通過慢動作視頻，我們還能直觀地看到：不但足球發(fā)生形變，人臉也發(fā)生了形變，足球和人臉的形變都產(chǎn)生了彈力。（圖7-圖9）同時也說明了另一個重要的力學原理：力的作用是相互的，為后續(xù)的學習埋下了伏筆。

圖7

圖8

圖9

重難點四：如何解決“誰的形變產(chǎn)生壓力或支持力”的問題？

我們知道：茶杯放在桌面上，如圖10所示，茶杯對桌面的壓力和桌面對茶杯的支持力都是彈力，但是要想讓學生認識到這一點本身就比較困難，而要想深入認知壓力或支持力到底是由于誰的形變產(chǎn)生的，更是難上加難。筆者在平時的教學過程中，嘗試用類比法來突破這一重難點，收到了不錯的效果。

圖10

我們可以用裝滿水的氣球類比茶杯，用海綿類比桌面。將裝滿水的氣球輕輕地放在海綿上，我們可以看到裝滿水的氣球變扁了，同時海綿凹陷下去，氣球和海綿都發(fā)生了形變，如圖11和圖12所示。根據(jù)彈力的定義：物體發(fā)生彈性形變后，力圖恢復其原來的形狀而對另一個物體產(chǎn)生的力，這個力叫作彈力。所以，變扁的氣球力圖恢復原來鼓起的形狀而產(chǎn)生的彈力是對海綿向下的壓力，凹陷的海綿力圖恢復原來平整的形狀而產(chǎn)生的彈力是對氣球向上的支持力。由此類比到茶杯和桌面：茶杯對桌面的壓力是由于茶杯發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的，桌面對茶杯的支持力是由于桌面發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的。

圖11

圖12

通過這種類比，學生關于彈力認知的難度會大大降低。而且，形象的實驗比單調(diào)的版畫和枯燥的講解更能激發(fā)學生學習物理的興趣。

重難點五：如何定量探究物體形變與外力的關系？

“探究物體形變與外力的關系”是本節(jié)課的重要實驗。教材通過“手壓塑料尺使其彎曲”和“手拉彈簧使其伸長”兩個簡單的實驗，讓學生直觀地體會到：使物體發(fā)生彈性形變的外力越大，物體的形變就越大。初中物理課程標準并沒有要求對此進行定量探究和得到定量結(jié)論：在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長量（形變量）與外力成正比。但是定量的結(jié)論經(jīng)常用于課后習題的解答，同時該結(jié)論也是接下來要學的彈簧測力計的工作原理，所以筆者認為在本節(jié)課有必要對“彈簧的伸長量與外力的關系”進行定量探究。如果像高中學習胡克定律那樣系統(tǒng)地進行實驗探究，時間不允許，學生理解起來也比較生硬。那么，如何快捷、有效地得到定量結(jié)論呢？筆者在教學過程中進行了如下嘗試。

選四個同樣的彈簧A、B、C、D依次掛在一根水平橫桿上，A彈簧不掛任何鉤碼，B、C、D三根彈簧分別掛上一個、兩個、三個鉤碼，過A彈簧的底端，水平拉一根細線，以該細線為端點分別測量B、C、D三根彈簧的伸長量，如圖13所示。筆者認為這種實驗方法與傳統(tǒng)的“用一根彈簧掛四次鉤碼”的實驗方法相比，主要有兩個優(yōu)點：一是，用不掛鉤碼的A彈簧作為參照，能直觀地看出彈簧的原長，降低了學生的認知難度；二是，以過A彈簧底端的細線為參照，能直接測量B、C、D三根彈簧的伸長量，既節(jié)省了用總長減去原長計算伸長量所花的時間，又能對比著看出外力翻幾倍導致伸長量翻幾倍的正比關系，降低了學生的思考難度。

圖13

本文介紹的幾個微創(chuàng)新實驗對整節(jié)課的流暢推進作出了很大貢獻。有了這幾個實驗，教師在解決一些重難點問題時會更加游刃有余，學生對彈力的概念的形成、對彈力相關規(guī)律的掌握也會水到渠成。