物理核心素養視野下《探究外力做功與物體動能變化關系》的實驗改進

蔡石屏

【摘要】 物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的關鍵能力和必備品格，主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面構成。本文以“探究外力做功與物體動能變化的關系”的兩個實驗方案為例，通過物理問題的提出、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋等方式培養學生物理核心素養。

【關鍵詞】 物理核心素養 外力做功 動能變化 科學探究

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2018）01-032-02

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一、物理核心素養的內涵

2017年教育部下發的《普通高中物理課程標準》中提出：物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的關鍵能力和必備品格，是學生通過物理學習培養起來的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的重要構成。物理核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面構成。“科學探究”是指提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。“科學探究”主要包括問題、證據、解釋、交流等要素。本文從培養學生的科學探究素養出發，通過物理問題的提出、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋等方式培養學生物理核心素養。

二、“探究外力做功與物體動能變化的關系”實驗

一個新知識的構建，是以原有知識為基礎的，所以教學是以知識為線索展開的，這是符合認知規律的做法，教師不應該將目光僅聚焦在知識的傳授上，應該重視物理課程的育人功能。《探究外力做功與物體動能變化的關系》是現行粵教版高中物理教材必修2第四章第三節的內容。學生通過前面的學習已經建立了重力做功、彈力做功與重力勢能、彈性勢能的關系，本節作為一個過渡，通過實驗探究做功與動能變化的關系，為后面的動能定理做好鋪墊、搭好平臺，降低了學生認知上的難度，符合學生的認知特點。

本節教材的實驗探究部分是采用重錘連接紙帶做自由落體運動來進行探究，通過處理紙帶可以得到下落的高度和對應點的速度，本實驗的優點是原理簡單，且學生對于自由落體運動比較熟悉，易于理解；但是該實驗的不足之處在于通過對紙帶處理得出的速度具有很大的實驗誤差，對于得到實驗目的，稍顯證據不足。基于以上考慮，筆者對實驗做了兩個改進方案，以下就對該實驗方法做一下粗淺的闡述。

1 .方案一 實驗設計改進

1.1 實驗裝置實物圖如圖1所示

1.2實驗器材

帶數據線的光電門（2個）、電腦（裝有DataStudio軟件）、氣墊導軌、滑塊、氣泵、墊片（厚度相同）。

1.3實驗設計原理

探究功與速度變化的關系，即外力做功引起動能的變化，外力做正功動能增加，外力做負功動能減小，在實驗設計時需要解決兩個問題：①如何確定力所做的功、如何改變力所做的功；②如何確定物體運動的速度。解決方案：根據圖2及力的合成知識可知：F=，則F所做的功可以表示為：W=Fx=，當m、g、x、L一定時，W∝h，只要定量改變高度h就能夠定量改變力所做的功，實際操作中只需增加墊片的數目就能達到改變做功的目的。假設墊一塊墊片時的高度設為h0，對應的功為W0，墊兩塊墊片時的高度設為2h0，對應的功為2W0，以此類推，通過倍增法將做功的具體數值轉變成倍數關系，達到化繁為簡的目的，使實驗的復雜性大為降低，實驗的精度大為提高；利用數字化實驗中光電門和Data Studio軟件，直接從軟件中顯示滑塊通過光電門時的速度，簡化了書本上通過對紙帶的處理得出速度的繁瑣過程，提高了實驗的準確率。

1.4 實驗探究過程

受限于實驗條件，筆者在教學過程中采用演示實驗探究，具體操作過程為：首先通過師生互動設計實驗，然后介紹實驗裝置和實驗原理，專門提到氣墊導軌的調平，以及器材的使用規范如要先取下滑塊再斷開氣源等，接下來教師通過演示規范的兩組實驗操作，剩下的實驗操作邀請學生完成，這樣很好的調動了學生探究的積極性。其他同學對操作同學的不當操作及時給予糾正，課堂氣氛活躍，具體探究過程如下。

按圖2連好裝置，實驗過程中注意每次必須從同一位置靜止釋放滑塊（ 即滿足：m、g、x、L 一定時，W ∝ h）。由圖2可知：W合=h，ΔEk=m（v22-v12）實驗所得數據如表1：（m=0.2kg，g=9.8m/s2，x=0.3m，L=0.95m，擋光距離L=0.004m，每個墊片的高度為0.01m）。

表1中的速度可以通過光電門連接電腦中的DataStudio軟件，從軟件設置中設定擋光距離為0.004m，然后直接讀取速度值。從上表可以得出：在誤差允許的范圍內，滑塊所受合外力對其所做的功等于其動能的變化量。

2 方案二 實驗設計改進

2.1實驗裝置實物圖如圖3所示

2.2實驗器材

帶數據線的光電門（1個）、電腦（裝有DataStudio軟件）、帶線的小鋼球、自制鐵架臺。

2.3 實驗設計原理

本實驗是通過“單擺”裝置來探究動能定理，即探究擺球從靜止釋放到通過最低點的過程中重力做功與動能變化的大小關系，結構簡圖如圖4，由圖可知，重力做功和動能的變化量分別是W合=mgh、ΔEk=mv2 為了測量高度，可以在豎直面上加一帶刻度的塑料板，在最低點裝一連接電腦的光電門，擋光距離即是擺球的直徑，通過Data Studio軟件直接在電腦上讀出速度值。改變高度h的大小可以得到多組數據，如下表2（擺球的質量m=0.025kg，g=9.8m/s2，擺球直徑d=1.90cm）。

從表2可以得出：在誤差允許的范圍內，擺球從靜止釋放到通過最低點的過程中重力做功與動能變化的大小近似相等。

以上是《探究外力做功與物體動能變化的關系》的兩個實驗方案，經過教學實踐的檢驗，得到了預期的效果，數字化實驗的引進提高了實驗的準確度，簡化了實驗的操作過程，利用excel表格直接處理數據，節省實驗時間。

三、基于核心素養的反思

提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，解決物理問題過程旨在提高學生的科學探究素養，在實際教學中，教師不必直接提出設計方案，可以通過設置合理的物理情景（如勻減速直線運動、自由落體運動等），由淺入深、循序漸進，充分激發學生的設計欲望，引導學生思考怎樣去測量需要驗證的物理量，讓學生去提出方案，然后老師在此基礎上改進，這樣可以增強學生的成就感，提高學生實驗創新能力。最后可以引導學生對實驗結論進行理論推導，實驗與理論相結合，使學生逐漸形成對科學和技術應有的正確態度及責任感。

[ 參 考 文 獻 ]

[1]江山.實驗探究：培養物理學科核心素養的有效途[J].中學物理教學參考，2015，44（12）：2-5.