例談物理實驗促進規律學習的策略

楊柯

摘要：物理規律的學習是物理核心素養提升的重要組成和基礎，物理規律是物理學理論體系中最核心的內容，通過學生親身感受或操作過的物理實驗獲得物理現象、認識物理規律的發生、發展過程，促進學生理解物理規律的背景、意義及適用條件，對物理規律的掌握尤為重要。

關鍵詞：實驗；物理規律；策略

一、物理規律的涵義和特點

物理規律反映了物理對象、現象、物理過程在一定條件下必然發生、發展和變化的規律，反映了物質運動變化的各個因素之間的本質聯系，揭示了一定條件下某些物理量之間內在的、必然的聯系。

1. 物理規律的涵義

物理規律可分為物理定律、物理定理、物理原理、物理定則、物理公式等。與物理概念相比，物理規律是人們對物理客體更高層次的認識，是理性認識階段產物。物理規律客觀反映自然的性質，是物理知識機構的支柱。物理規律中最重要的是物理定律，它是人們對物理現象或物理過程進行大量觀察、實驗后，進行分析、比較、歸納得出的物理量間關系，提出假說，再在定律中驗證，才建立起來的規律。如牛頓第二定律。而從物理規律出發，進行推理后再驗證成為規律。一般叫定理或原理，如動能定理、動量定理。

2.物理規律的特點

物理規律有三個主要特點：第一，物理規律是觀察、實驗、物理思維和數學推理相結合的產物。如牛頓第一定律的建立，雖然以實驗為基礎，但這一定不能直接由實驗得出，他是實驗、推理和想象結合的產物。第二，物理規律反映有關物理量之間的必然聯系，任何一個物理規律都是以一些概念為基礎的，物理規律把物理概念之間的一定關系用語言邏輯或數學邏輯表達出來。如庫侖定律，就是點電荷、力、電荷量、距離等概念組成的。它表明了研究對象（點電荷）受到的靜電力與研究對象（點電荷）所帶的電荷量與它們之間距離定量的因果關系。第三，物理規律有近似性和局限性。由于物理學研究的對象和過程，都是經科學抽象后得到的一定條件下能近似反映主觀實際的理想模型和理想過程；又由于物理實驗不可避免造成誤差，因此物理規律具有近似性和局限性。

二、物理實驗促進物理規律學習的策略

美國教育家杜威認為：科學教育不僅僅要讓學生學習大量的知識，更重要的是學習科學研究的過程或方法。物理實驗是新課改物理教學的基礎，高中物理中的觀察演示實驗、學生操作實驗讓學生通過親身經歷和體驗，使學生對物理事實獲得具體而又明確的認識，這正是理解掌握物理規律的基礎。如何通過物理實驗促進學生對物理規律的學習，筆者介紹以下幾種策略。

1 .實驗驗證的策略

實驗驗證的策略就是讓學生通過自己做實驗來驗證物理規律，從而加深對物理規律的領會、理解的有效策略。許多物理規律，學生在學習高中物理前是并不知道的。將這些內容記住并不難，難的是理解它們本質含義，學生通過實驗定性或定量驗證物理規律，無疑會加深對規律的理解。

【案例】驗證機械能守恒定律

（1）實驗方案設計的討論、器材的選擇（略）

（2）實驗原理：重物做自由落體的過程中，重力勢能與動能之間發生了相互轉化。若任意兩個時刻的動能與重力勢能總和相等，即EK1+EP1=EK2+EP2，則驗證了物體做自由落體運動過程中機械能守恒。

（3）學生分組實驗，明確操作過程注意事項，實驗步驟（略）

（4）實驗數據記錄與處理： 設計實驗數據記錄表格并記錄。計量重力勢能的改變時，只要測量出過程越過的高度，結合當地的重力加速度即可。計量動能改變時，用打點計時器──根據打出的紙帶求初、末狀態的瞬時速度（依據“勻變速運動的平均速度等于中間時刻的瞬時速度”）。

（5）實驗結論： 在實驗誤差允許的范圍內，任意兩個時刻的動能與重力勢能總和相等，即EK1+EP1=EK2+EP2，即物體在自由落體過程中機械能守恒。

讓學生從實驗中去驗證規律，涉及到物理核心素養中的處理信息數據，基于證據得出結論并作出解釋，非常有助于學生對物理規律的學習和掌握。

2 .實驗探究的策略

實驗探究的策略就是預先提出某種假設，然后再通過實驗驗證這種假設的正確性，從而得到新的物理規律的策略。

【案例】探究功與速度變化的關系

（1）提出問題，如何測橡皮筋對小車做的功？

（2）學生討論： 橡皮筋對小車做的功不能直接測定，可用倍數關系表示各次所做的功。（實驗原理的探究）

（3）提出問題，哪些因素會影響實驗的準確性？

（4）學生討論：橡皮筋之間的差異性較大，阻力影響，速度的測定。（影響實驗因素的探究）

（5）提出問題，如何處理實驗數據？

（6）學生猜想，可討論w與v，w與v，w與v2，w與v3的關系。（實驗數據處理探究）

（7）學生分組探究，得出結論如下：

①w與v的關系，很難判斷其圖像性質；

②w與v的關系，圖像類似拋物線；

③w與v2的關系，圖像為直線；

④w與v3的關系，關系復雜，很難判斷圖像性質；

（8）實驗結論， 橡皮筋對小車做的功與小車速度的二次方成正比。

在這個探究實驗中，涉及到物理核心素養中提出問題，形成猜想和假設，對實驗探究結果進行交流、評估、反思的能力，通過一次次假設分析和實驗結果驗證，不斷分析、歸納，最終得出w∝v2，讓學生在掌握物理規律的同時感受到了成功的喜悅。

3.實驗中等效代替的策略

等效代替在物理實驗中有較多的應用，如研究合力與分力的關系中，合力和分力的等效。碰撞中的動量守恒，水平位移S與初速度V0成正比關系，把測速度轉換為測水平位移的等效。

【案例】探究求合力的方法endprint

（1）實驗目的：探究合力和分力的關系

（2）提出問題，如何求兩個力的合力？

（3）學生討論：如果一個力產生的效果和兩個力產生的效果相同，那么這個力就可以認為是二個力的合力。（等效代替策略）

（4）提出問題，如何表示分力和合力產生了相同的效果？

（5）學生討論：可以用拉伸橡皮條的方式來展示產生相同的效果，分別用二個力和一個力把橡皮條拉伸到同一位置o，可說明此時大小、方向都達到了等效。

（6）實驗方案設計的討論、器材的選擇、實驗注意事項（略）

（7）實驗操作：分別用一把彈簧秤將橡皮條結點拉伸到同一點0，記下力F的方向和大小、力F1、F2的方向和大小，作出力F、F1、F2的的圖示，然后尋找F與F1、F2的關系。

（8）實驗結論：在誤差允許的范圍內，合力和分力遵循平行四邊形定則。

又如，在研究物體平拋運動豎直方向的運動中，利用兩相同小球在同一高度同時水平拋出小球和自由下落小球，發現2球同時落地。得出平拋運動物體在豎直方向上的運動等效于自由落體運動。學生通過實驗掌握等效代替策略并內化生成，遷移到高中物理其它知識規律中，會對學生學習物理知識帶來非常大的幫助。

4.實驗中控制變量的策略

在中學物理實驗中，應用控制變量的策略很多，如平行板電容器的電容、氣態方程的提出、部分電路歐姆定律的探究等。如果學生將這種實驗中控制變量的策略應用好，那么學生在學習其他物理規律往往會起到事半功倍的作用。

【案例】單擺振動周期跟那些因素有關的探究

（1）提出問題：決定單擺振動周期的因素有那些？

（2）學生猜想：單擺振動周期可能與振幅、擺球質量、擺長、重力加速度有關？

（3）提出問題：如何設計實驗得出單擺振動周期與周期的關系？

如何設計實驗得出單擺振動周期與擺球質量的關系？

如何設計實驗得出單擺振動周期與擺長的關系？

如何設計實驗得出單擺振動周期與重力加速度的關系？

（4）學生思考：可采用控制變量的策略

（5）學生分組實驗：

①對比實驗： A組：當擺長為1m時，使振幅A1=8cm，測出單擺的周期Ta

B組：當擺長為1m時，使振幅A2=4cm，測出單擺的周期Tb

②對比實驗：C組：當擺長為1m時，使擺球質量為m，測出單擺的周期Tc

D組：當擺長為1m時，用橡皮泥均勻粘在擺球周圍，測出單擺的周期Td

③對比實驗：E組：當擺長為1m時，使擺球質量為m，測出單擺的周期Te

F組：當擺長為0.64m時，使擺球質量為m，測出單擺的周期Tf

④對比實驗：G組：當擺長為1m時，擺球用鐵球質量為m，測出單擺的周期Tg

H組：在G組單擺擺球的平衡位置下方放一磁鐵（相當于重力加速度增大），測出單擺的周期Th

各組通過實驗結果分析比較后，總結得到：單擺的振動周期與單擺的振幅、擺球的質量無關，與單擺的擺長、重力加速度有關。

通過實驗發現單擺周期跟擺長、重力加速度有關，跟擺球質量及振幅無關，這讓學生感到非常驚奇。實驗的同時也檢驗了原先頭腦中的想法正確與否，這本身也有探究、驗證和判決的思想。

5 .實驗明確物理規律（現象）適用條件的策略

物理規律反映了物理現象、物理過程在一定條件下發生、發展和變化的普遍現象，它必然有 一定的適用條件和適用范圍。因此，要讓學生明確掌握所使用物理規律的的適用條件、物理現象產生條件和適用范圍，這是很重要的。而這些條件、范圍往往能在實驗探究中發現?！景咐刻骄扛袘娏鳟a生的條件

（1）回憶舊知，演示閉合電路部分導體切割磁感線產生電流（略）

（2）探究實驗1，如圖1所示

圖1

① 器材介紹，②方案設計（略），③學生探究，操作記錄。如下表1，

實驗操作表針擺動方向

開關閉合瞬間

開關斷開瞬間

開關閉合時，滑動變阻器不動

開關閉合時，迅速滑動變阻器滑片

（3）提出問題：實驗1并沒有部分導體切割磁感線，由表針的偏轉可知，產生了感應電流，是前面的知識有誤，還是另有玄機？（激發探究欲望，引發思維認知沖突）

（4）探究實驗2，如圖2所示

圖2

①器材介紹，②方案設計（略），③學生探究，操作記錄。如下表2，

磁鐵的動作表針擺動方向磁鐵的動作表針擺動方向

N極插入線圈S極插入線圈

N極停在線圈中S極停在線圈中

N極從線圈中抽出S極從線圈中抽出

（5）小組討論、歸納

（6）成果交流（教師指導，多媒體演示動畫：條形磁鐵插入線圈時磁通量的變化）

（7）師生共同分析實驗1和實驗2概況得出結論：穿過閉合電路磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流產生。

科學家為了更好的展現他們的發現，常常將問題簡單化，用來排除一切可能影響實驗效果的干擾，然后根據已經被理想化的物理模型來證實他們的假象，通過實驗讓學生明白這一點非常重要。

三、結語

上述是筆者在教學中形成的一些粗淺的認識和不成熟的做法，物理規律學習策略很多，我們正確合理地選擇培養學生物理規律學習策略，讓學生在有限的時間內掌握和應用物理規律，并生成讓其終身受用的高效的學習策略，進而學會學習，奠定持續發展的基礎。

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（作者單位：浙江省紹興市新昌縣鼓山中學 312500）endprint