物理課堂中對實驗失誤的利用與應對

邵 正 馬蜀生

(1. 永康中學,浙江 永康 321300； 2. 淮南一中，安徽 淮南 232000)

物理課堂中對實驗失誤的利用與應對

邵 正1馬蜀生2

(1. 永康中學,浙江 永康 321300； 2. 淮南一中，安徽 淮南 232000)

本文對課堂實驗失誤進行了分類,分別介紹了對不同的實驗失誤如何利用與應對的教學策略．

實驗失誤； 利用； 應對

在物理課堂上,實驗失誤了,打亂了教學計劃,降低了課堂效率,有時還帶來尷尬,教師們恐避之而不及,然而“常在河邊走,哪有不濕鞋”,既然總有失敗的時候,就要去分析和面對．教學實驗和科學實驗本質上是一致的,科學家有時卻十分期待實驗結果與預期有差別,丁肇中就說過“做實驗物理要對意外的現象有充分的準備”,其實就如很多科學發(fā)現在實驗“失誤”中產生一樣,課堂實驗的“失誤“也常常能為我們帶來意想不到的教學效果,教師們大可不必談之色變,反而應該深入研究加以利用．

課堂教學中的實驗失誤,可以是教師有意失誤也可能是無意失誤,這兩類都可能使實驗成功或失敗,教學時我們就這幾類失誤可以用不同的策略加以運用和應對．

1 有意失誤造成實驗失敗

學習液體壓強時很多教材和練習都會應用圖1的實驗,一般這么認為，a口深度最大,水壓越大射出的水柱最遠,c口最淺,水壓最小,射出的水柱最近，現象和原理好像都很清楚明了．但某教師做這個實驗時卻出現了如圖2的現象,出水口a的射程sa小于出水口b的射程sb,這樣一個教師精心設計的“失敗”的實驗,極大地引起了學生的興趣,引導學生繼續(xù)深究與水柱射程相關的其他因素．其實水柱的運動可看成是一個平拋運動,假設水柱a的射程為sa,a的離地距離是L2,a離水面的距離是L1,出水速度是v,出水到落地時間為t,則有

整理上述幾式得a的射程為

水面與地面的距離是L2+L1,而任一瞬間L2+L1是個定值,所以當L2=L1時射程最遠.設k為水面與地面的中點,a離k的距離為ha,b離k的距離為hb，則有

ha>hb時，sa

hasb;

ha=hb時,sa=sb.

因此，出水口離k越近則射程越遠,反之則越近．而不是通常認為的出水口越深，水壓越大,射程越遠．

圖3

為什么平時做這個實驗時總是出現如圖1的實驗結果呢?因為實驗時教師往往手拿著一個容器(離地面較遠)來演示,如圖3,hb往往遠大于ha,則sb

這樣一個“失敗”的實驗,既引導了學生對平拋運動的深入研究,又能體會生活中的物理,更難能可貴的是,讓學生對敢于質疑、敢于探究的科學本質有深刻的感悟,培養(yǎng)學生實事求是的科學精神．

2 有意失誤使實驗成功

圖4 覆杯實驗

3 無意失誤造成實驗失敗

有意失誤是教師設計好的,是受控的,相比之下無意失誤完全出乎教師意料,往往事發(fā)突然,常讓教師措手不及．例如一次公開課課堂上有位教師要演示如圖5所示的實驗,大試管裝滿水,將小試管插入,兩試管都倒置,開口向下,放開小試管，小試管能自動上升.這是一個很有趣的實驗,也許這位教師之前已經成功過很多次,看上去很有信心,但當時教師將試管倒置之前先造了一下勢:先將大試管裝滿水,然后將小試管靜置其上,由其自由下沉,而后靜止,引導學生說: “看小試管由于重力向下運動,那現在我將它們倒過來,開口向下,小試管將會如何呢?”學生們都說小試管會掉下來,教師看學生已被“引入歧途”就將試管倒了過來,卻發(fā)現小試管不上也不下,就這樣靜止了,當時課堂也仿佛這枚小試管一樣,聽課教師、學生和上課的教師都瞬間懵了,上課的教師靈機一動,說“一次實驗沒有符合預期,也許是實驗的偶然性,為了排除偶然性我們應該重復實驗” 可當時教師重做了兩次,小試管都“必然”靜止,教師徹底無解只能含含糊糊地糊弄過去了．其實遇到這樣的場面教師首先要冷靜,小試管靜止一定有靜止的道理的,教學中既然安排了這個實驗,小試管的受力情況教師應該是胸有成足的,現在無非是合力向上變?yōu)楹狭榱愣?大可以籍此失誤趁著學生被激發(fā)的好奇心,將試管的受力情況好好地分析分析,可能有人會擔心,剛剛已經失誤了,要是分析到中途又解不出,豈不是更難堪?這樣想的教師還是把教師當作教學的中心,其實學生是很喜歡這樣的意外的,他們很好奇.科學家也很喜歡這樣的意外,科學家之所以是科學家就是他們一直都保持著對自然的好奇心,而作為一個教授科學的物理教師,我們不但要教學生物理知識,還要教科學研究的方法,更要讓學生體會科學精神,遇到問題不去研究不去質疑,用一句實驗的偶然性去搪塞,或用幾句幽默的語言來掩飾,貌似有教學藝術,其實卻與科學精神背道而馳，楊振寧曾說自己的導師很忙,有時沒有備課就在黑板上和學生一起解方程,常寫了整塊黑板,卻發(fā)現解錯了,每一次錯誤,學生們都不覺得少學了什么,反而跟著大師的思路體驗了頂級科學家最原生態(tài)的思維方法,能和導師合作解決問題,即使沒有成功,也總有不少收獲．雖然我們的情況有所不同,但科學實驗出現意外,并且一時解決不了,是很正常的,沒什么不好意思的,相反逃避和掩飾問題才是應該批評的．輕浮的小聰明,比不了守拙的大智慧,而且如果教師當時真的帶著學生分析,不難發(fā)現:其實小試管既有可能向上運動,也可能向下運動,還可能靜止不動．

圖5 大小試管實驗

將大小試管倒立,小試管的運動情況是由它受到的合力決定的,設此時小試管底離大試管口的距離設為ha′, 小試管質量為m,以小試管為研究對象,則小試管受到向上的力只有一個,就是大氣壓力，為

F向上=p0S.

大試管口的氣壓為p0,所以小試管底的水壓為p0-ρgha′,則

F向下=(p0-ρgha′)S+mg，

F向上-F向下=p0S-(p0-ρgha′)S-mg=ρgha′S-mg.

開始時小試管正立在水中自然下沉而后靜止時,受力平衡,試管內外的大氣壓(設為p0)可以抵消,設小試管的橫截面積為S,水密度為ρ,水面離試管底的距離為ha,則有

mg=ρgSha，

F向上-F向下=ρgha′S-mg=ρgSha′-ρgSha=ρgS(ha′-ha).

當ha′>ha時,合力向上,小試管向上運動．當ha′=ha時,合力為0,小試管靜止．當ha′

上課時教師先讓小試管自然下沉,再將試管倒轉,自然是ha′=ha,合力為0,小試管靜止．此時若要讓試管向上運動,只要往上輕壓一下小試管即可．

4 從無意失誤到實驗成功

無意的失誤,既失控又失敗,肯定令人懊惱,但如果我們引領學生從失敗走向成功,反而使教學效果能事半功倍．而且有所失,必有所得,先失誤再糾正往往能比一次就做成功有更大的收獲．

例如學生第一次做小孔成像的實驗時,因為對孔的大小心里沒譜,總有學生因此失敗,讓學生開個小點的孔重做,還不如好好利用這個失誤,問學生孔開太大了,如果不能重做,應該怎么處理呢?學生會想到用紙板來遮,在遮孔的時候就會出現各種教學中教師本來就求之不得的情況和現象:例如遮多些遮少些,像的大小一樣嗎?亮度一樣嗎?遮了孔的一側,像一部分會消失嗎?用紙條遮在中間產生兩個小孔,又會出現什么現象?遮蔽小孔的不同部分使小孔的形狀發(fā)生改變,像的形狀會變嗎?亮度改變嗎?等等．這些問題其實都是學生在小孔成像問題的學習中會遇到的困難,如果能借這個實驗中無意的失誤,好好利用,“變廢為寶”,就解決了教學中一個個難點．

物理課堂教學確實要精心準備，減少實驗失誤,提高課堂效率．但真要出現了失誤,也是科學研究和科學教學中難免會發(fā)生的．既來之,則安之．歷史上很多失誤成就了科學研究,課堂中善加利用,實驗失誤也可以成就我們的課堂教學,有時甚至可以故意制造“失誤”,來為教學服務．

1 王紹符,劉升，張喜榮.覆杯子實驗的科學解釋[J].物理通報, 2003(5):26-28.

2017-06-03)