抽象實驗在高中物理新教材演示實驗中的實踐

何正國

摘 要： 演示實驗在物理教學中具有重要作用，做演示實驗的目的是讓學生理解物理概念，掌握物理規律，培養其實驗技能，但有些教學內容的演示實驗效果并不明顯或根本無法當堂演示。這時可以讓學生采取用抽象實驗的方式得到實驗結論，這樣能讓學生更好地理解、掌握所學的物理概念和物理規律，提高學生的綜合分析能力和邏輯思維能力。抽象實驗對于那些演示實驗效果不顯著或根本就無法進行當堂演示的實驗有很好的補充作用。

關鍵詞： 抽象實驗 高中物理新教材演示實驗 實踐

一、高中物理新教材課堂演示實驗教學現狀分析

在實驗教學中，學生在老師的指導下，通過觀察老師的演示實驗和親自動手完成實驗，能使學生眼、手、腦并用，從生動、真實的實驗現象中理解并構建物理知識，這符合學生從形象思維到抽象思維、從感性認識到理性認識的認識規律。因此，教師做好演示實驗，可以讓學生從觀察和分析物理現象中，獲得生動的感性知識，從而更好地理解、掌握物理學的概念和規律，還可以提高學生的觀察能力、綜合分析能力和邏輯思維能力。

在物理教學中，教師為了增強教學效果，經常采用演示實驗，在學生看來，課堂演示實驗更像是一場表演，是授課教師精心準備的魔術，學生往往認為實驗跟考試無關，也就不會對實驗進行更深入的思考與鉆研，這完全違背教師設計演示實驗的初衷，導致不少師生對演示實驗的功能產生懷疑。這說明課堂演示實驗既有增強教學效果的有利方面又有導致學生參與度較低的局限性。筆者認為，物理實驗教學不能局限于驗證實驗，不能讓學生只是機械記錄和機械模仿，應該多安排些探究性實驗，充分發揮學生的主觀能動性，啟迪學生的思維，這樣才可以讓物理實驗教學具有生命力，才能充分發揮物理實驗的思維培養功能，才能讓學生體會到物理學家對物理規律的發現過程。那么，如何提高演示實驗的思維培養功能呢？筆者就此進行了思考和探索。

二、關于抽象實驗在物理演示實驗中的使用方法的思考

對于有些演示實驗由于實驗條件限制或實驗現象不明顯時，可以讓學生采取用邏輯推理的形式得到實驗結論，這能讓學生更好地理解、掌握所學的物理概念和物理規律，提高學生的綜合分析能力和邏輯思維能力。比如可以讓學生只是設想一套實驗裝置和實驗方法，輔助以一定的假設作為前提和出發點（采用已被大量事實所檢驗的物理規律或已被人們所普遍接受的物理理論和結論作為前提和出發點），按照一系列理論進行推演，給出實驗過程和實驗狀態，并對實驗結論的邏輯性或假設的合理性進行分析，得到有用的實驗結論。相對演示實驗而言，可以把這種讓學生用邏輯推理的形式得到實驗結論的邏輯思維實驗方法定為抽象實驗。抽象實驗對于那些演示實驗效果不顯著或根本就無法進行當堂演示的實驗有很好的補充作用。在高中新教材中雖然沒有明確提出抽象實驗的概念，但多次使用這種用邏輯推理的方法得出了實驗結論。以下用實例說明抽象實驗在高中物理新教材中演示實驗上的應用。

三、抽象實驗在高中物理新教材課堂演示實驗中的實踐

1.由伽利略的理想實驗得出力不是維持物體運動的原因

由于斜面摩擦力對小球上升高度的影響，會使其上升高度減小，這是學生根據生活經驗可以得出的正確結論。如果減少斜面摩擦力，則物體會上升得高一些。如圖1所示。

圖1

如果斜面沒有摩擦力，則小球將上升到原來靜止時的高度。如圖2所示。

圖2

如果此時減小第二個斜面的傾角，則小球的運動又會是怎樣的？如圖3所示，小球將在斜面上運動得遠一些。

圖3

如果傾角還繼續減小，小球要達到同樣的高度，將滾得越來越遠。如圖4所示。

圖4

如果傾角減小到放平第二個斜面，如果第二個斜面無限長，小球將不可能達到原來的高度，所以就要沿水平面一直運動下去，如圖5所示。由此得出結論：物體的運動不需要力來維持。

圖5

實際上伽利略的理想斜面實驗就是本文所說的抽象實驗，而且伽利略的理想斜面實驗也為我們展示了抽象實驗實施的方法和程序。

2.電荷所受靜電力與其電荷量成正比

研究電荷在電場的同一位置所受靜電力與其電荷量的關系時，由于學校實驗條件的限制，我們很難精確測定改變前后的電量，也很難精確測定改變前后電荷所受的靜電力。在這種情況下，我們可以這樣進行抽象實驗：設電荷量為q的電荷在電場中的某一位置受到的靜電力為F，如圖6所示：

圖6

現可以假設在電場中的同一位置放入電荷量為nq的電荷，如圖7所示，則對nq這個整體進行分析可知，電場對其的靜電力為nF，由邏輯推理可得到：電場強度一定時，電荷所受的靜電力與其電量成正比。

圖7

3.導體的電阻與導體的長度、橫截面積的關系

要探究導體的電阻與導體的長度、橫截面積的關系，可以讓學生先對實驗進行探究，得到實驗規律，然后讓學生假設一套實驗裝置進行抽象實驗，由邏輯推理得到實驗規律，并讓學生比較兩次實驗的實驗結論，這樣可以啟迪學生的思維，培養學生的能力。現對這一抽象實驗說明如下：

一根長度為L，電阻為R的導體，可以看成是由n段長度同為l，電阻同為r的導體串聯而成，如圖8所示。由串聯電路特點可知R=nr且L=nl，兩式中n值是相同的，則由邏輯推理可得導體的電阻與導體的長度成正比。

圖8

同理，一根橫截面積為S，電阻為R的導體，可以看成是由n段橫截面積為s，電阻同為r的導體并聯而成，如圖9所示。由并聯電路特點可知R=■r且S=ns，兩式中n值是相同的，則由邏輯推理可得導體的電阻與導體橫截面積成反比。

圖9

4.通電導體在磁場中所受的安培力與導體的長度及流過的電流的關系

在這個實驗里，如果單純利用學校現有的實驗器材，則實驗的難點是很難測定變化前后安培力的大小。一旦把學生已經接受的通電導體在磁場中受到安培力的事實作為前提，就可以讓學生進行抽象實驗得到結論。現對這一抽象實驗說明如下：

保持導體流過的電流不變，保持所處位置的磁場不變，使導體長度加倍，如圖10所示。對導體整體受力分析可知，其安培力也加倍，則由邏輯推理可得通電導體在磁場中所受的安培力與導體的長度成正比。

圖10

保持導體的長度不變，保持所處位置的磁場不變，使流過導體的電流加倍，如圖11所示。對導體整體受力分析可知，其安培力也加倍，則由邏輯推理可得通電導體在磁場中所受的安培力與流過導體的電流也成正比。

圖11

5.研究原子核的組成

研究原子核是否具有復雜結構，可以從天然放射現象入手。那么天然放射現象如何能說明原子核可以再分呢？這在學校的實驗條件下是根本無法當堂演示實驗的。此時則可以通過抽象實驗幫助學生理解原子核具有復雜結構這一知識。

放射性元素具有的放射性與放射性元素所處的物理狀態和化學狀態無關，即放射性元素無論是以單質形式存在還是以化合物形式存在，都具有放射性，其放射性的強度也不受溫度、外界壓強的影響。元素的化學性質決定于原子核外的電子，因此放射性元素發出的射線與核外電子無關，也就是說，這些射線來自原子核，從而說明原子核具有復雜結構。那么原子核又是怎樣組成的呢？盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，從氮核中打出了一種新的粒子，根據這種粒子在電場和磁場中的偏轉，并測出了它的質量和電荷，確定這種新粒子就是氫原子核，叫做質子。此后人們用同樣的方法從其他原子核中也都打出了質子，由此可以斷定，質子是原子核的組成部分。那么原子核中是否只有質子呢？如果原子核中只有質子，那么任何一種原子核的質量與電荷量之比，都應該等于質子的質量與其電荷量之比。已知的物理事實是，絕大多數原子核的質量與電荷量之比都大于質子的質量與其電荷量之比。由此推斷原子核內可能還存在另一種粒子，后由查德威克通過實驗證明了這種粒子的存在，這種粒子就是不帶電的中子。

學生明白了原子核內存在著質子和中子這兩種粒子，就會進一步提出：原子核內是否存在第三種粒子呢？這時可以引導學生思考：假設存在第三種粒子，那么這種粒子可能帶電，也可能不帶電。這種粒子如果帶電，則粒子無論帶何種電性都不能保證原子呈電中性；而這種粒子如果不帶電，則這種粒子就可以歸入中子。綜上所述，原子核內不存在第三種粒子。

學生根據這些抽象實驗，自然就可以理解原子核的組成。

四、抽象實驗在課堂演示實驗中的實施程序

筆者認為，抽想實驗在課堂演示實驗中的實施程序可以是這樣的：

1.設想一套實驗裝置和實驗方法；

2.采用已被大量事實所檢驗的物理規律或已被人們普遍接受的物理理論和物理結論作為抽想實驗實施的前提和出發點；

3.按照物理理論進行推演，給出實驗過程和實驗狀態，并對實驗結論的邏輯性或假設的合理性進行分析；

4.得到有用的實驗結論。

需說明的是，我們這里所講到的抽象實驗不是理想實驗，更不是虛假實驗。抽象實驗能充分發揮學生的主觀能動性，啟迪學生的思維，充分體現物理實驗的思維培養功能，讓學生體會到物理學家對物理規律的發現過程，這是符合新課程理念要求的學生觀及師生觀。但抽象實驗絕不能完全替代課堂演示實驗，因為一個準備充分、實驗效果顯著的課堂演示實驗，無疑對學生的視覺沖擊、思維沖擊都是比較大的，也一定會給學生留下較深刻的印象。而抽象實驗則對于那些演示實驗效果不顯著或根本就無法進行當堂演示的實驗有很好的補充作用。有些物理實驗可以先讓學生通過抽象實驗得到結論，再讓學生設計實物實驗進行驗證，這樣可以讓學生主動參與到實驗過程中。

教師應根據實驗演示的目的、實驗演示的條件等因素靈活選擇實施實物實驗或抽象實驗。

參考文獻：

[1]鄭淳，郭定和.高中物理實驗課的有效教學策略探討.中學物理教學參考.

[2]白小珍.高中物理小實驗價值漫談.中學物理教學參考.

[3]高中物理新教材課本及教學參考.