基于原始問題的高中物理探究性實驗教學案例分析
——以“網(wǎng)球塔”的搭建為例

張彥文 吳家盛 成 濤 鐘 鳴

(南京師范大學物理科學與技術學院,江蘇 南京 210023)

1 引言

目前中學物理課程改革不斷深化,但是中學物理教學中還存在著一些跟課改精神不符的問題:一方面,在介紹物理概念、規(guī)律之后,以物理解題為導向,追求學生物理演算能力的培養(yǎng);物理實驗不被重視,這樣的物理教學模式潛移默化地向學生傳遞了“物理習題即物理問題”的錯誤觀念。[1]另一方面,不論是演示實驗還是學生實驗,其結論以及可能產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象是可預知、可控的。學生不容易遇到實驗的意外情況,因此缺失實際問題解決的能力,思維活躍度較低,學生很難通過這種實驗活動掌握研究物理問題的一般方法。對于很多學生而言,物理概念和物理規(guī)律是十分抽象的,物理實驗是有操作難度的,這導致學生產(chǎn)生畏學情緒,不利于培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

探究性實驗教學是高中物理教學的重要組成部分,有助于提高學生的物理思維能力、科學探究能力,為深度學習打下基礎。在實際教學中,很多探究性實驗仍然是學生在教師有目的的引導下為得出固有結論而進行的“假探究”。[2]真正意義上的探究性實驗應該基于在社會生產(chǎn)活動、生活中真實存在的能夠反映物理概念、規(guī)律,但未經(jīng)加工的物理現(xiàn)象和問題(即原始物理問題)。[3]在探究性實驗教學中,應創(chuàng)設生活化情境,讓學生在面對與生活緊密結合的物理現(xiàn)象時,學會從物理現(xiàn)象蘊含的眾多因素中找到合適的切入點,建構模型,綜合運用所學理論解決實際問題,讓學生在現(xiàn)實生活中自主參與實驗探究活動,培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。[4]本文以“網(wǎng)球塔”的搭建為例,從有趣的原始物理問題出發(fā),探討高中物理探究性實驗教學的思路、方法與模式。

2 高中物理探究性實驗教學案例分析

2.1 創(chuàng)設情境,提出問題

原始物理問題存在較高隱蔽性,而高中生缺乏物理知識儲備,物理感知能力較弱,讓學生自己在現(xiàn)實生活中主動探尋有研究價值的物理問題存在一定的困難,教師可為學生創(chuàng)設情境,引導他們發(fā)現(xiàn)并提出具有研究價值的原始物理問題。

情境創(chuàng)設：2019年格魯吉亞物理學家安德里亞·羅加瓦教授在不使用任何外界支撐或粘合的情況下,用網(wǎng)球按照每層3個、頂層1個的方式搭建了一座9層“網(wǎng)球塔”(圖1)。

請學生用網(wǎng)球嘗試搭建上述網(wǎng)球塔,學生發(fā)現(xiàn),“網(wǎng)球塔”搭建的層數(shù)越高,越容易倒塌。由此提出問題:每層3個的網(wǎng)球塔的極限層數(shù)是多少?網(wǎng)球塔的穩(wěn)定性與哪些因素有關?請同學們在小組內討論,并做出猜想與假設。學生提出影響網(wǎng)球塔穩(wěn)定性的因素有:網(wǎng)球表面間的摩擦因數(shù)、網(wǎng)球與底部接觸面的摩擦因數(shù)等。其中有的可能是主要因素,有的可能是次要因素,首先需要進行簡單的篩選。比如,如果學生認為網(wǎng)球塔極限層數(shù)與網(wǎng)球之間的接觸面積有關,可以在網(wǎng)球上沾墨水,通過觀察知道:兩個球體之間基本為點接觸而非面接觸。

2.2 分組實驗,探究網(wǎng)球塔的穩(wěn)定性

由于網(wǎng)球塔的搭建需要多人合作完成,因此實驗可以采取分組合作的形式展開。在粗糙程度相同的水平桌面上搭建網(wǎng)球塔,由于網(wǎng)球塔有層數(shù)限制,顯然不同層數(shù)的穩(wěn)定性是不一樣的。

隨著搭建層數(shù)的增加,如何判斷網(wǎng)球塔的穩(wěn)定性?首先應明確“穩(wěn)定性”的定義,一個力學系統(tǒng)受外力的作用而處于平衡狀態(tài),受到外界的微小擾動后,系統(tǒng)趨向于恢復到平衡位置,則平衡是穩(wěn)定的;系統(tǒng)越來越遠離平衡位置,則平衡不穩(wěn)定;剛好打破力學系統(tǒng)平衡狀態(tài)所需的臨界微擾值越大,系統(tǒng)穩(wěn)定性越強。

基于上述定義,需要給網(wǎng)球塔施加擾動,即人為施加一定的推力。出于數(shù)據(jù)采集的要求,需要在施加推力的同時獲取推力值,可使用力傳感器。力傳感器可實時顯示并記錄推力大小,靈敏度較高,學生在利用力傳感器推網(wǎng)球塔時,應保持在水平方向上施加推力F(圖2),可在電腦屏幕上顯示F-t圖像,F-t圖像中的峰值即為網(wǎng)球塔被推倒的臨界微擾值。

圖2 網(wǎng)球的穩(wěn)定性探究

在實驗中控制其他因素不變,用力傳感器水平推動各層網(wǎng)球塔,直到網(wǎng)球塔正好倒塌。重復多次實驗,記錄測量得到的最小推力值,并求出平均值,實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 “3+3+3+1”型網(wǎng)球塔推力數(shù)據(jù)

通過各組實驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn):推力的大小由頂層到底層逐漸增大,即每層3個的網(wǎng)球塔穩(wěn)定性由頂層到底層逐漸增強。

2.3 收集資料,建構模型

對網(wǎng)球塔的受力分析要用到剛體力學知識,可以讓學生自行查閱相關資料,教師也可以視實際情況,向學生提供自學材料,并適當介紹剛體平衡條件等基礎知識,引導學生對網(wǎng)球塔進行受力分析。學生在動手搭建的過程中,能夠體會到摩擦是必不可少的,而當網(wǎng)球塔平衡時,對應的是靜摩擦。

具體分析過程如下:(1) 將網(wǎng)球視為質量、半徑相同的剛體球,并假設相鄰兩球均互相接觸。對網(wǎng)球塔從上到下逐層受力分析。規(guī)定最頂層網(wǎng)球為第1層,從上到下,層數(shù)i遞增,總層數(shù)為n。(2) 依據(jù)各層網(wǎng)球與上、下層接觸的情況,分為頂層、次頂層、中間層、底層。

2.3.1 頂層網(wǎng)球與次頂層網(wǎng)球受力分析

2.3.2 中間層網(wǎng)球受力遞推關系分析

2.3.3 底層網(wǎng)球受力分析

2.4 設計方案,實驗探究

通過上述物理模型的分析,為了維持網(wǎng)球塔的穩(wěn)定,需要保證不同層間的網(wǎng)球靜摩擦因數(shù)以及網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)達到一定的值。這里需要注意的是,我們通常認為靜摩擦因數(shù)和正壓力無關,前提是壓力幾乎不改變接觸表面的性質,而在實際情況中,網(wǎng)球表面羊毛材質的絨毛在受到不同壓力的情況下會發(fā)生不同程度的形變,導致網(wǎng)球間接觸面性質發(fā)生了變化,從而使得靜摩擦因數(shù)發(fā)生變化。因此,需要設計方案,探究網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)、網(wǎng)球與網(wǎng)球間的靜摩擦因數(shù)及其隨壓力變化情況。

2.4.1 網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)

如圖4所示,將3只網(wǎng)球固定,利用力傳感器沿某一網(wǎng)球球心與三個網(wǎng)球的中心連線方向推該網(wǎng)球,網(wǎng)球與桌面發(fā)生相對滑動時,推力會達到一個峰值,該峰值對應于網(wǎng)球與桌面間的最大靜摩擦力,重復測量5次,將數(shù)據(jù)記錄在表2中。

表2

圖4 網(wǎng)球與桌面靜摩擦因數(shù)測量裝置

如果測得網(wǎng)球與桌面間的靜摩擦因數(shù)大于理論值,則滿足穩(wěn)定條件,否則需要增加桌面的粗糙程度。

2.4.2 網(wǎng)球與網(wǎng)球間的靜摩擦因數(shù)

如圖5所示,將一網(wǎng)球皮剝下并固定在平面上,將另一網(wǎng)球剪開,在網(wǎng)球中添加砝碼以改變網(wǎng)球質量,用同樣的方法測量最大靜摩擦力,計算出靜摩擦因數(shù)并進行記錄。

圖5 網(wǎng)球與網(wǎng)球靜摩擦因數(shù)測量

圖6 網(wǎng)球間靜摩擦因數(shù)隨正壓力變化關系

2.5 處理數(shù)據(jù),得出結論

如圖7所示,繪制不同層數(shù)網(wǎng)球塔保持穩(wěn)定時理論上所需要的靜摩擦因數(shù)和實際測得的靜摩擦因數(shù)的圖像,得到兩條曲線的交點為i≈11。當i>11時,實際的靜摩擦因數(shù)小于理論上網(wǎng)球塔保持穩(wěn)定需要的靜摩擦因數(shù),因此對于每層3個的情況,高于11層的網(wǎng)球塔無法搭建成功。根據(jù)不同網(wǎng)球質量的細微差別和實驗條件,網(wǎng)球塔的理論層數(shù)限制在10～12層。實際搭建的最高層數(shù)為9層?？紤]到網(wǎng)球實際形狀非理想剛體球形等不可避免的誤差因素,基本符合理論層數(shù)限制。

圖7 網(wǎng)球塔層數(shù)限制函數(shù)圖像

3 結語

作為高中物理探究性實驗教學的一個案例,本文以搭建“網(wǎng)球塔”這一原始物理問題為載體,讓學生嘗試搭建并發(fā)現(xiàn)“網(wǎng)球塔”的層數(shù)限制。在分組實驗中,通過改變網(wǎng)球質量,探究出網(wǎng)球與網(wǎng)球間靜摩擦因數(shù)隨壓力變化的關系,將實際的靜摩擦因數(shù)與理論需要的靜摩擦因數(shù)相比較,得出每層3個網(wǎng)球塔的層數(shù)限制為10～12層,并通過實驗成功搭建了9層網(wǎng)球塔,接近理論層數(shù)限制。利用力傳感器探究網(wǎng)球塔各層穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)球塔各層穩(wěn)定性自頂層至底層不斷增強。

通過這樣的探究性實驗,讓學生體驗現(xiàn)象→建構物理模型→探究實驗變量→總結實驗結論的過程。該實驗具有挑戰(zhàn)性和趣味性特點,保持網(wǎng)球塔的結構有很多種解決方案,容易激發(fā)學生的好奇心與好勝心;而實驗結論的得出涉及穩(wěn)定、靜摩擦因數(shù)、剛體平衡和立體幾何等知識,可以讓學生在實驗探究中學習和鞏固物理概念、規(guī)律,在物理概念、規(guī)律的運用中提高創(chuàng)新能力。在這一過程中學習使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理軟件,提升學生的實驗操作能力、數(shù)據(jù)分析能力和團隊合作能力。由于原始物理問題具有開放性,解決方案不唯一,在“習題一統(tǒng)天下”的物理教學現(xiàn)狀之下,基于原始物理問題的探究性實驗教學也能夠在一定程度上推進物理教學方式的轉變,提升學生的物理學科核心素養(yǎng)。