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物理教學論文：搭上實驗翅膀飛入習題深處
物理教學論文：搭上實驗翅膀飛入習題深處張玉成
（滕州市第一中學，山東滕州277500）
在新課程理念的催生下，教學內容的生活化、教學方式的活動化、教學過程的情境化，越來越多地出現在物理課堂教學中，如果在物理習題教學中融入豐富多彩的實驗，可以增強學生的感性認識，有助于理解習題情境，實現知識的應用和升華，能夠培養學生利用實驗來解決問題的能力．
一、演示實驗，驅動問題生成
問題是思維的發動機，運用演示實驗可為學生提供一個模擬實際的情境，增強“刺激的新異性和變化性”，進而驅動問題生成．
案例1如圖1所示，質量為肘的框架放在水平地面上，一輕彈簧上端固定在框架上，下端固定一個質量為m的小球，小球上下振動時，框架始終沒有跳起，當框架對地面壓力為零瞬間，小球的加速度大小為
上課伊始老師可用木條和彈簧制作一個框架裝置進行演示，由于木框架質量不大，當所掛球的質量及彈簧形變量達到一定程度時，框架會在地面上“跳躍”起來，形象地展示對地面壓力為零的可能，簡單的實驗情境，直觀的實驗現象，學生的注意力自然聚集到一個思維點：框架何時對地面壓力為零，從而引發探究問題的生成。
二、探究實驗，尋找解題入口
心理學研究表明：學生對動手操作過或描述過的能記住90%，因此在物理教學中應盡可能地創造條件，讓學生動手操作，在親身體驗中去領悟物理道理．
案例2如圖2所示，晾曬衣服的繩子輕且光滑，懸掛衣服的衣架的掛鉤也是光滑的，輕繩兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點，衣服處于靜止狀態．如果保持繩子A端位置不變，將B端分別移動到不同的位置．下列判斷正確的是
A．桿不動B端上移到Bi位置時，繩子張力變大
B．桿不動B端上移到B2位置時，繩子張力變小
C．B端在桿上位置不動，將桿移動到虛線位置時，繩子張力變大
D．B端在桿上位置不動，將桿移動到虛線位置時，繩子張力變小
本題研究掛鉤作用下的細線張力問題，教學過程中可把原題改變成一個實驗研究的課題（如圖3所示）．當細線固定在A、B兩端時處于松軟狀態，現在細線上懸掛砝碼，研究下列問題：(1)通過測量，計算出細線受到的張力；(2)若保持B點不動，移動A的高低時，滑輪如何運動？此時細線與水平方向夾角是否改變？在實驗研究過程中，還適時地提出了一些階段性的研究問題：(1)若A、B等高，滑輪停在哪里？若A、B不等高，則滑輪停在哪里？小滑輪停的位置有何規律?(2)細線水平方向夾角如何測量？通過上述實驗研究學生找到了答案，也真正找到了解決這類問題的切入口。
案例3(2004年全國高考卷)如圖4所示，ad、bd、cd是豎直面內三根固定的光滑細桿，a、b、c、d位于同一圓周上，a點為圓周的最高點，d點為最低點．每根桿上都套著一個小滑環（圖中未畫出），三個滑環分別從a、b、c處釋放（初速為0），用t1、t2、t3依次表示滑環到達d所用的時間，則
A．t1<t2<t3B．t1>t2>t3
C．t3>t1>t2D．t1=t2=t3
解題前可先讓學生在“課外小實驗”活動室中完成如下實驗：圖5中用自行車圈作圓周，用光滑細鐵絲作弦，三個小球穿在鐵絲上，將三個小球同時從頂點A處由靜止釋放，發現三個小球同時到達圓周最低點（可聽到同時撞擊聲）．學生對觀察結果感到驚訝，推動思考：位移大的為什么會和位移小的下滑時間相同呢？加速度大小差別與什么有關？位移大小與什么有關？學生還會自覺將裝置倒放，使三球逆向運動，發現三個小球同樣同時到達圓周最低點．于是學生便會得到結論：物體沿著位于同一豎直圓上的所有光滑弦由靜止下滑，到達圓周最低點的時間相等（這樣的豎直圓簡稱為“等時圓”）。
學習任何東西的最好途徑是自己去發現（波利亞語），通過探究實驗可讓學生“從做中學”，感悟物理模型，注重知識的“動態構建”，體驗成功的喜悅并轉化為進一步學習的動力。
三、設計實驗，深化問題認識
案例4（2010年浙江高考理綜卷）如圖6所示，A、B兩物體疊放在一起，以相同的初速度上拋（不計空氣阻力），下列說法正確的是
A．在上升和下降過程中A對B的壓力一定為零
B．上升過程中A對B的壓力大于A物體受到的重力
C．下降過程中A對B的壓力大于A物體受到的重力
D．在上升和下降過程中A對B的壓力等于A物體受到的重力
本題涉及一個物理學的“相異框架”思維問題，學生對生活中的經驗加以推廣，導致了對問題理解的偏差．因為在將物體拋出的過程，人只能感受到物體在離手之前的作用，(教學論文 www.baimashangsha.com)離開手之后的情況，則需要去推測、想象．在課堂上筆者并沒有發表自己的觀點，而是向學生提出要求：你能否設計一個實驗，驗證你的推測。
課后幾個課題小組認真研究與設計，提出了他們的實驗方案并成功演示，從而深化了對拋體運動過程中壓力不存在的認識，
方案1：磁體吸攏實驗
如圖7所示，把兩個圓形磁體套在一根塑料棒上，異名磁極相對并盡量靠近，直至要發生吸攏為止，實驗時讓塑料棒從約2m的高處由靜止開始豎直向下運動，就會發現兩塊磁體吸攏，并發生“咔噠”的撞擊聲，然后在斜向下方運動、豎直向上運動等等實驗過程中磁體均發生吸攏現象，原因就是運動過程中磁體與棒間的彈力消失，使靜摩擦力不復存在。
方案2：音樂卡片實驗
在一個平底吊盤上放一個重物m．把生日音樂卡片A壓在重物m和吊盤之間，如圖8所示，外露發光二極管．卡上設置的開關處于自然狀態時開關閉合，二極管隨著音樂節奏發出炫目的光．當有重物放在它上面時開關斷開，卡“偃旗息鼓”，這樣卡的開關直接受重物m的壓力控制．在吊盤C正下方放一塊海綿來接收、緩沖．實驗時用手提著盤的吊線慢慢下降時“風平浪靜”，說明重物m受到支持力．一旦松手釋放重物和盤一起做自由落體運動，音樂卡隨即熱鬧起來，有聲有色；直到剛一接觸海綿立刻“無聲無息”，說明重物m又恢復受支持力作用。
“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”讓學生扮演“工程師”角色，在教師引導下，自覺投入到實驗的設計、分析、驗證和改進的研究中，從而使學生將學到的知識得以鞏固、擴散與升華，實踐能力得以提高．并且通過最富創意方案的評選，激發學生的創新意識與參與熱情。
四、驗證實驗，求證習題答案
著名物理學家朱正元教授曾說：“說一千，道一萬．不如實驗看一看，”物理習題教學時還可通過實驗驗證習題答案．
案例5（2010年全國高考卷Ⅱ）小球A和B的質量分別為mA和mB，且I1ZA>m8.在某高度處將A和B先后從靜止釋放．小球A與水平面碰撞后向上彈回．在釋放處下方與釋放處距離為h的地方恰好與正在下落的小球B發生正碰．設所有碰撞都是彈性的，碰撞時間極短，求小球A、B碰撞后日上升的最大高度。
選擇組合：
分析可知，除了彈性要好以外，下面的球質量要大一些，經多次實驗，最終確定的兩個組合：乒乓球和彈力球；橡膠球和彈力球。
實驗步驟：
(1)把一只乒乓球從10cm處（過高很難實現對心碰撞，因為乒乓球受空氣阻力的影響較大）的高度釋放，落到事先放在講臺上的堅硬的玻璃上．發現第一次反彈后可以達到接近釋放時的高度，但無論如何不會超過這個高度（在這一高度上平放一板擋著）。
(2)取彈力球，從相同高度釋放，反彈后的高度比乒乓球的反彈高度略低。
(3)把乒乓球放在彈力球上面，讓它們從原來高度落下，落地反彈以后，令人吃驚的是：乒乓球比單獨下落跳的更高（能碰到20cm處的板，甚至更高）。
(4)叁照上述做法，選用橡膠球和彈力球組合，將兩者由1m處的釋放，會發現彈力球反彈后會跳的更高，最高能碰到3.5m的天花板。
眾目睽睽之下學生見證奇跡發生——小球反彈的高度大大超出自由下落的高度！“信其道，親其師”，筆者還清晰地記得當時做實驗時學生的興奮之情，可謂溢于言表。
五、拓展實驗．質疑習題情景
思考問題時，如果沒有考慮清楚實際的物理情境，往往會得出錯誤的結論，即使在高考命題或各地調研試題中，這種情況也會出現．下面這則案例中對于習題情境的質疑物理實驗就成為最好的解決利器。
案例6裝飾用的彩燈，串成一串串，接在220V電源上，觀察燈的結構發現，每個燈的燈絲(Ri)引線上方繞有金屬電阻絲(R2)，如圖10所示，即使R1斷了，R2仍能導電．根據工作特性，Rt應該____R2：（填“大于”“等于”或“小于”），當其中一個或幾個燈的燈絲斷了，其余的燈將____（填“變亮”“變暗”或“完全熄滅”）。
該題是2010年上海市某區高考調研試題，題目提供的答案為：Ri應該小于R2，當其中一個或幾個燈的燈絲斷了，其余的燈將變暗．果真如此嗎？有些學生對題目情境提出了質疑．為此筆者利用如圖11所示的節日彩燈引導學生觀察閃爍的彩燈熄滅幾只后，其余彩燈的亮度及其閃爍頻率的變化？
實驗表明：其中一個小彩燈的燈絲斷裂后，其余的小彩燈還能繼續發光并且會比原來更亮，閃爍的更快．顯然題目創設的情境是錯誤的。
筆者尋找錯誤背后隱含的教育價值，引領學生從錯中求知，從錯中探究，問題的奧妙源自小彩燈的特殊構造．如圖12所示是一款規格為“2.5V．0.25A”小彩燈的“解剖圖”：在燈絲導電支架上除了有燈絲和起固定作用的小玻璃珠以外，還繞有約4圈細金屬絲．燈絲電阻冷時約為2.5Ω，熱時約為15Ω，細金屬絲的電阻為1Ω，正常（低壓）情況下，由于支架表面有一層氧化銅涂層的緣故，它與燈絲支架是不導通的．若加上較高的電壓（如220V）時氧化層可被擊穿，細金屬絲與燈絲支架導通．當某個小彩燈的燈絲燒毀時，其間形成斷路，220V電壓就直接加到細金屬絲與燈絲導電支架之間，瞬間擊穿那段細金屬絲的氧化銅涂層，細金屬絲與燈絲導電支架導通，這樣其他小彩燈就能繼續工作．但由于細金屬絲的電阻較小，剩余燈泡兩端各自分擔的電壓就多了，所以會比原來更亮．
彩燈能夠閃爍完全歸功于如圖13甲所示的與眾不同的“跳泡”，在常溫下跳泡中間豎立的雙金屬片和旁邊的倒L形引線接觸在一起，電流通過燈絲時，燈絲發熱發光，右側的雙金屬片受熱膨脹向右彎曲，如圖13乙所示，使電路斷開，整串彩燈都不發光；斷電后，右側雙金屬片受冷收縮后又向左側彎曲，使電路變成通路，整串彩燈發光．當其中一個或幾個燈的燈絲斷了后整個電路電阻變小，電流變大，根據焦耳定律燈絲產生的熱量增大，可以更快的使雙金屬片受熱彎曲，雙金屬片受熱形變頻率加快導致跳泡通斷的頻率加快，所以其他彩燈閃爍得更快。
英國科學家波義耳說：“知識應該從實驗中來，實驗是最好的老師。”作為一位物理教師，如果能夠給學生提供多彩的課程資源，創設人性化的學習環境，跳出題目和公式的藩籬，讓學生在“自然”的“原始”的條件下學習，才能真正享受到學習的樂趣，領略物理的魅力與美麗。
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