“探究動能定理”的實驗本質(zhì)與復(fù)習(xí)教學(xué)策略探討

丁冠鋒 孟振洲

(1. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210023;2. 江蘇省南京市第十三中學(xué),江蘇 南京 210008)

“探究動能定理”的實驗本質(zhì)與復(fù)習(xí)教學(xué)策略探討

丁冠鋒1孟振洲2

(1. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210023;2. 江蘇省南京市第十三中學(xué),江蘇 南京 210008)

本文對2017年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測試說明物理部分新增考點“探究動能定理”實驗的內(nèi)涵進行了深度分析,在綜述了有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,針對江蘇高考能力立意的命題理念，提出了搞好該實驗復(fù)習(xí)教學(xué)的幾點建議.

高考物理考試說明;動能定理實驗;實驗素養(yǎng)

江蘇省教育考試院發(fā)布的2017年江蘇省普通高中學(xué)業(yè)水平測試(選修科目)考試說明(物理科)新增了課程標準要求的實驗——“探究動能定理”(以下簡稱該實驗).按照以往規(guī)律,新增考點在當年高考中出現(xiàn)的可能性較大.筆者從高考視角出發(fā),對該實驗的復(fù)習(xí)教學(xué)展開了研究,期望能夠?qū)φ趥淇嫉膸熒M行高效全面的復(fù)習(xí)有所啟發(fā).

1 “探究動能定理”實驗已有研究綜述

相比動能定理在解題、應(yīng)用、教學(xué)設(shè)計等方面研究的高熱度,關(guān)于動能定理的實驗研究則要少得多.對于高中教學(xué)來說,筆者認為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因有兩個:一是全國范圍內(nèi)高考中對于該實驗的考查相對較少(江蘇卷物理考試說明在此之前所要求的八個實驗未包含該實驗),在高考指揮棒主導(dǎo)下,師生從思想上對該實驗并不重視;二是該實驗對學(xué)生要求高,操作難度較大.為了保證教學(xué)成績的“最優(yōu)性價比”,教師在教學(xué)時,往往選擇一帶而過,而把重點放在動能定理公式的講解與應(yīng)用上.

教育部2003年頒布的《普通高中物理課程標準(實驗)》對探究動能定理實驗提出了要求.通過中國知網(wǎng)文獻高級搜索功能,先后以“功與速度關(guān)系”“探究動能定理”為關(guān)鍵詞進行主題搜索,并將時間限定為2004—2016年,搜索分別得到54篇和21篇文獻.去掉5篇重復(fù)的和2篇無關(guān)文獻,在總計68篇文獻中發(fā)現(xiàn),相關(guān)學(xué)者或一線教師對該實驗的研究主要涉及4個方面:① 實驗方案的改進(從精確、操作方便程度等角度改進,包括借助DIS的改進)37篇;② 實驗命題、復(fù)習(xí)建議17篇;③ 課本實驗的教材分析、教學(xué)設(shè)計和教學(xué)案例13篇;④ 不同教材對探究動能定理實驗的對比研究1篇.該實驗的改進研究涉及豐富的類型:原理、儀器、測量改進等.筆者認為,這些研究為高考物理江蘇卷探究動能定理實驗命題提供了素材,尤其是多種不同的實驗方案可以作為優(yōu)缺點分析、改進、設(shè)計考查的情境,建議一線教師以幾個改進的例子為線索,啟發(fā)學(xué)生思考、進行創(chuàng)新設(shè)計.

自分省命題以來,高考題中對于該實驗的考查出現(xiàn)在2008年廣東卷、2009年廣東卷、2009年安徽理綜卷中,考點多集中在儀器的使用與讀數(shù)、實驗原理和步驟.接近課本,較為基礎(chǔ),難度較小,對數(shù)據(jù)誤差分析和實驗改進與設(shè)計幾乎無考查.另外,實驗情境與課本相同或近似,對學(xué)生知識遷移運用能力的考查不夠.因此對該實驗內(nèi)容在高考物理江蘇卷上出現(xiàn)會是什么樣子,我們的考生如何應(yīng)對,教師們又該如何復(fù)習(xí)，將會是大家探討的熱點.

2 “探究動能定理”教學(xué)分析

2.1 課本分析

人教版必修二物理在“動能定理”一節(jié)前設(shè)置了探究實驗:探究功與速度變化的關(guān)系，動能與速度有關(guān),而能量又是通過做功進行轉(zhuǎn)化,實驗的目的是找到功與速度變化的具體關(guān)系,進而找到動能表達式的線索.課本給出了兩種實驗方案:一是重物通過滑輪牽引小車;二是使小車在橡皮筋的作用下運動.最終要得到的功W與速度v的關(guān)系留給學(xué)生自己探究得出.圖1給出了一種探究動能定理實驗的思維導(dǎo)圖.

圖1

2.2 實驗素養(yǎng)內(nèi)涵和教育價值

該實驗從探究功與速度變化的關(guān)系出發(fā),利用理論推導(dǎo)得到功與動能的關(guān)系,在實驗與理論結(jié)合的基礎(chǔ)上定義動能,最后得到動能定理.這是一個體現(xiàn)實驗與理論相結(jié)合的典型實驗,并且涉及物理量定義,具有很強的代表性.首先,該實驗需要學(xué)生發(fā)散的思維和嚴謹?shù)耐评?這對學(xué)生日后走向社會解決問題大有裨益;同時,該實驗也需要學(xué)生之間的交流討論,比較不同方案的優(yōu)點與不足,對培養(yǎng)學(xué)生的交往能力和合作意識很有幫助.該實驗加深了學(xué)生對用能量觀解決力與運動問題的理解.另外,由于橡皮筋本身規(guī)格的問題帶來實驗結(jié)果的不同于理想數(shù)據(jù)的誤差，一方面要求學(xué)生有實事求是、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度,另一方面可使學(xué)生主動思考改進的方式.

3 探究動能定理實驗的復(fù)習(xí)教學(xué)策略

對于準備2017年高考的師生來說,由于是高考新增實驗,在新課教學(xué)中對這一部分內(nèi)容是簡單提及,甚至是直接跳過的.這就要求師生在隨后的復(fù)習(xí)中,重新做一遍動能定理探究實驗,考慮到學(xué)生已經(jīng)掌握了動能定理,最好能在課本提供的實驗方案基礎(chǔ)上讓學(xué)生設(shè)計實驗方案，不同學(xué)校可以根據(jù)自身具體情況,從基礎(chǔ)層次和提高層次分別指導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)，下面給出3點建議.

3.1 重視動手實驗,提高實驗技能

高考物理江蘇卷對實驗技能的考查是全面的,“2008方案”以后的高考命題在力求區(qū)分“做實驗”和“不做實驗”方面做了很多探索.實驗技能考查主要體現(xiàn)在實驗儀器和裝置、實驗原理和方法、實驗采集和處理三個方面：① 在實驗儀器和裝置使用上,要掌握打點計時器的使用,能夠?qū)垘д_讀數(shù),認識橡皮筋提供的力是變力,了解傳感器和光電門的使用，有條件的學(xué)校最好讓學(xué)生根據(jù)課本實驗方案使用這些現(xiàn)代儀器進行準確測量;② 在實驗原理和方法上,熟練掌握功和速度的測量方法，對于功的測量,注重倍增法測功,能用彈簧測力計、力傳感器等測力;對于速度的測量,會用打點計時器、光電門等對物體初、末速度進行測量;③ 在實驗數(shù)據(jù)的采集和處理上,能夠根據(jù)得到的數(shù)據(jù)正確作圖,并能對圖像表達的含義進行分析,分析誤差來源，并提出改進建議.

復(fù)習(xí)教學(xué)中必須讓學(xué)生走進實驗室,通過學(xué)生動手操作,發(fā)現(xiàn)實驗過程中的問題.教師可在實驗結(jié)束后安排一節(jié)課專門進行總結(jié)反思,針對實驗中發(fā)現(xiàn)的問題,讓學(xué)生交流討論.

3.2 強調(diào)“倍增法”思想,抓住“功的測量”是關(guān)鍵

該實驗的一大特色也是難點在于利用倍增思想進行功的測量.即不是直接測量力和力的方向上的位移來計算得出做功大小,而是通過成倍增加力或位移的方法來使功加倍.“倍增法測功”的難點在于功的單位的理解，由于在學(xué)生的認知中,功的單位是焦耳,直接計算得出具體的多少焦耳的功，從而畫出功與速度圖像問題不大.但是,如果把功取成倍增關(guān)系，用1W、2W、3W等來代表功的大小,功與圖像中縱坐標的單位就不再是焦耳,學(xué)生會認為并沒有把功具體測出來,沒有具體的數(shù)字.教師若對此不清楚說明,學(xué)生會懷疑這樣的實驗方案是否真的可行.實際上,用W表示功是確定的,只不過是用字母而不是數(shù)字來表示其值的大小.以下來看兩個例子.

(1) 如圖2所示的實驗裝置,通過增加橡皮筋的條數(shù)成倍增加功的大小,是一種通過成倍增加力的大小(保持每次釋放時在同一位置,做功距離相等)使功加倍的方法.

圖2

(2) 如圖3所示的實驗裝置,小車在重物的牽引下從靜止開始運動,打點計時器在紙帶上打出如圖4所示一系列點跡.若取相同的時間間隔,記OA=S,則OB=4S,OC=9S……,依此類推,則得到一組為1W、4W、9W……的功.這是一種通過成倍改變位移的大小(保持小車所受合力不變)使功加倍的方法,此方法的好處是不需要考慮重物質(zhì)量與小車質(zhì)量的關(guān)系,也不需要平衡摩擦力.

圖3

圖4

以上兩個例子啟發(fā)我們,要讓學(xué)生明白,從功的定義出發(fā),即功是力和力的方向上位移的乘積,這樣功的倍增方式無外乎兩種.不管對于何種情境,正確分析什么力在做功以及力的方向上位移多大，是找準倍增的關(guān)鍵.

3.3 加強新情境下的信息提取訓(xùn)練,提高問題解決能力

近幾年高考物理江蘇卷的特點之一就是實驗題情境源于課本,又高于課本.考生對其既有熟悉感,同時又是陌生的.熟悉在知識點、原理和方法上,陌生在情境上.這就要求我們一方面要將實驗原理講清楚,讓學(xué)生將課本實驗做到位;另一方面,要在學(xué)生實驗訓(xùn)練中尋求變化,充分利用實驗室的各種實驗器材,鼓勵學(xué)生結(jié)合所學(xué)的其他知識大膽嘗試實驗設(shè)計.對于該實驗,需要注意幾個情境設(shè)計出發(fā)點:一是做功的來源,比如重力勢能、彈性勢能的變化引起的功的變化,對應(yīng)的情境可以是彈簧、電磁彈射器等;二是研究過程的多樣性,比如依托自由落體、平拋運動等直線或曲線運動過程,情境可以是某物體先下滑再做平拋運動,探究下滑過程功與下滑過程末速度的關(guān)系,此末速度恰好為平拋運動水平初速度;三是與探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系實驗的結(jié)合,由于兩者可以運用相同的實驗器材來完成,能量與力和運動又是緊密聯(lián)系的,所以兩者結(jié)合起來的考查也需要關(guān)注.教師在復(fù)習(xí)教學(xué)過程中要有意識地跳出課本情境的限制,可以設(shè)計或者搜集一些新穎的實驗題情境提高學(xué)生的運用遷移能力,由簡到難,由基礎(chǔ)到創(chuàng)新.

[1] 黃紅波.江蘇高考物理實驗題的新課程特點與答題情況分析[J].物理教學(xué),2013,(2):64-67.

[2] 劉霽華.“探究功與速度變化的關(guān)系”的幾種實驗方案[J].物理教學(xué)探討,2008,(13):51-53.

[3] 馮志霞.實驗復(fù)習(xí)應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的能力——以《探究動能定理》為例[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2014,(4):54-55.

[4] 朱建廉.從“動能定理”談起——基于“實驗:探究功與速度變化的關(guān)系”的教材分析[J].物理教師,2014,(8):14-16.

[5] 吳俊.借“驗證機械能守恒定律”談物理實驗復(fù)習(xí)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2008,(3):46-48.