對比性實驗在高中物理教學中的應用

周 維，蔣曉霞

（江蘇省宜興市和橋高級中學，江蘇宜興 214211）

引 言

所謂對比性實驗，就是以正確的實驗操作和觀察為基礎，以出現的實驗現象為依據，對實驗過程中通過人為控制相關的物理變化所產生的兩個相似現象之間的差異進行對比和剖析的一種實驗教學過程。在物理教學中，對比性實驗可以有效地幫助學生形成正確的物理概念，掌握重點，突破難點，化解疑點。教師如能針對所需解決的問題設計出一系列有對比價值的實驗，就能幫助學生有效地揭示物理現象中隱含的本質和規律，從而提高學生的認知水平。本文將根據多年從教經驗，談一談對比性實驗在高中物理教學中的應用。

一、利用對比性實驗的奇趣性激發學生的學習興趣

高中許多物理概念和規律，都比較抽象，而設計一些有趣的對比性實驗，可以寓深刻的道理于淺顯的物理現象之中，使問題變得有趣生動。

案例1：在《牛頓第一定律》的教學中，為了說明物體質量越大，慣性越大，同樣的力產生的加速度越小。我們設計了以下對比性實驗：取一個乒乓球，放在水平桌面上，讓一位同學來吹，乒乓球很容易被吹動了；接著，我換了一個鉛球放在桌上，再讓這位同學來吹……這時這位同學窘迫的神態引來了同學們“得意”的笑聲。同時，“一動一靜”的實驗對比也使學生體會到了質量對加速度所帶來的影響。

案例2：《自感現象》中電流變化的規律也是比較抽象難懂的內容。這時，我們也可以用圖3和圖4的裝置，通過對比觀察激發學生的學習興趣。圖1是通電自感裝置，接通電源的短時間內可觀察到小燈泡A2先達到正常亮度，而A1則明顯亮得慢些。圖2是斷電自感裝置, 當接通電源電流達到穩定狀態以后, 突然斷開電源, 可觀察到小燈泡突然閃亮而后再熄滅。這“一快一慢”“一暗一亮”的對比會讓學生感到非常驚奇，對學習其中的道理也會充滿了期待。

圖1

圖2

二、利用對比性實驗的直觀性把抽象的物理規律具體化、形象化

許多物理規律是抽象深奧的，需要學生具有較強的抽象思維能力和邏輯推理能力才能正確理解。作為教師，幫助學生建構系統的物理認知體系是一項很重要的使命[1]。而對比性實驗的設計和利用，可以更好地為我們助一臂之力。

案例3：《平拋運動》的研究。作為曲線運動，平拋運動常常是學生難以理解的復雜運動，為此，我們用豎直方向的自由落體運動和水平方向的勻速直線運動和平拋運動進行對比實驗，可以很好地幫助學生化曲為直，化繁為簡地把平拋運動看成以上兩個方向的分運動。

對比1：豎直方向：讓一個小鋼球在另一個小鋼球做平拋運動離開水平槽的同時作自由落體運動，觀察兩個鋼球各自的運動現象，總結它們的規律（圖3）。實驗表明：兩個小鋼球幾乎同時落地，說明平拋運動在豎直方向上具有相同的運動規律：自由落體運動。

對比2：水平方向：將兩個小鋼球在不同高度處但離水平槽相同高度的位置靜止釋放，離開水平槽后，一個鋼球做平拋運動，另一個在較光滑的水平面上做勻速直線運動，觀察兩個鋼球各自的運動現象，總結它們的規律（圖4）。實驗表明：兩個小鋼球能在水平面上相碰，說明它們在水平方向上具有相同的運動規律：勻速直線運動。

圖3

圖4

以上對比實驗可以使學生認識到平拋運動在豎直方向和水平方向分別做自由落體運動和勻速直線運動。

三、利用對比性實驗中物理量的遞變性增強學生的科學探究意識

許多物理實驗的數據在變化過程中會受到條件的限制而影響實驗結果，這些物理量的遞變可以清晰地反映相關物理規律。

例如，“小燈泡的伏安特性”實驗中，電流I剛開始是線性的，隨電壓U的增大，燈泡亮度的變化，圖像就變得非線性了。從圖像的變化可以得知，小燈泡的電阻隨溫度的升高不斷增大。再如，探究“小車加速度與力的關系”時，用懸掛鉤碼的重力表示小車所受繩子的拉力，實驗會發現隨著鉤碼重力的增加，加速度與拉力不再呈現線性關系，而是一條曲線。這種圖像的變化可以促使學生對實驗原理的進一步思索，從而體會到小車拉力與鉤碼重力的關系。總之，這些實驗數據的遞變性對比，將會促使學生進一步探究實驗原理與實際測量量之間的關系，從而發現內在的物理規律和物理本質。

四、利用對比性實驗的可控性糾正學生頭腦中的錯誤概念

學生在學習物理知識前頭腦中會有一些與之相關的已有認識，稱為前概念，其中有些前概念對學習是不利的，稱之為錯誤概念。教師如能發現學生的錯誤概念并加以糾正，對學生新知識的建構是有積極意義的[2]。如在學習《自由落體運動》之前，對于重物和輕物誰落得快的認識，可能就存在錯誤的認識。很多同學可能會認為重物落得快，輕物落得慢，因為平時的生活經驗就會讓人產生這樣的認識。為此，教師可以設計以下對比性實驗：

第一組：一塊橡皮和一張紙片同時同高度靜止下落。（橡皮下落快，印證了學生頭腦中的觀念：橡皮重，所以下落得快。）第二組：兩張相同紙片，其中一張揉成團同時同高度靜止下落。（紙團下落快，與原來的觀念產生了認知沖突：既然重物落得快，那么兩個質量相等的物體就應該落得一樣快，而事實為什么不一樣？）第三組：一個裝有“降落傘”（一個塑料袋）的娃娃（代表重物）和一個紙團（代表輕物）同時同高度靜止下落。（紙團落得快，產生了更大的頭腦風暴：質量小的物體照樣可以落得快，看來物體下落快慢與質量無關，而與空氣阻力有關！）第四組：牛頓管實驗。第一次是在有空氣阻力的條件下，羽毛和錢幣同時從管頂自由下落，發現錢幣下落得快；第二次把牛頓管中的空氣抽掉，再次讓羽毛和錢幣同時從管頂自由下落，發現羽毛和錢幣同時下落。通過以上各個對比性實驗，可以使學生對物體下落快慢的認識從原來的錯誤觀點逐漸地轉變為科學的認識：物體下落快慢與質量無關，而與有無空氣阻力有關。

五、利用不同對比性實驗方案的差異性提高學生的思辨能力和創新意識

有的學習內容可以通過設計不同的實驗方案來完成，通過不同方案的對比，可以培養學生從不同角度認識問題，在思辨的基礎上不斷改革完善實驗方案的科研精神和創新意識[3]。例如，關于動摩擦因數μ的測定。在完成必修1和必修2后，可以讓學生自主設計不同的實驗方案，再通過交流分享后，選出最佳設計方案。下面是學生設計的一些方案。

方案一：物體放在地面上，用彈簧秤拉物體，使物體做勻速直線運動，讀出此時彈簧秤的示數（F），同時測出物體質量（m），利用來測定。這個方案的優點是方法簡單，運算簡便；缺點是操作困難，很難控制物體做勻速直線運動。方案二：把物體放在木板上，還是用彈簧秤拉住物體，把木板往外抽，抽的過程中，讀出彈簧秤的示數，還是利用前面的方法測出μ。這個方案的優點是在操作上克服了方案一的缺點，只要做到把木板從物體下面抽出就可以了，但是要求木板比較長，而且彈簧示數的穩定性不夠。方案三：利用“探究加速度和力、質量的關系”實驗裝置，讓小車在長木板上做勻加速直線運動，測出不同的拉力下小車的加速度，畫出a-F圖像，根據圖像與橫軸的交點測出μ。此方案運用了動力學原理，小車加速度a和拉力F之間的關系為優點是原理清晰，操作簡便；缺點是拉力F的測定和數據的處理。方案四：將一斜面和水平面無縫連接，將待測表面平鋪于斜面和水平面上，物體從斜面頂端靜止釋放下滑至水平面上某處。測出斜面高度（h）和物體的水平位移(x)，該方案是運用動能定理的方法，操作簡便，數據測量容易，運算簡單；缺點是要求斜面和水平面用同一種材料，且斜面和水平面之間連接良好，無能量損失。

結 語

物理實驗在中學物理中的地位舉足輕重，而對比性實驗憑借其特有的奇趣性能激發學生的學習興趣和動力，又憑借其直觀性和遞變性將學生的認知由淺入深地引向科學的物理本質，同時對比性實驗條件的可控性又提供了師生自由發揮的空間，使物理的教與學都變得更加自主、靈活。

[參考文獻]

[1] 魏金明.對比性實驗在物理教學中的應用[J].湖北中小學實驗室,1996,(05):21-22.

[2] 邢麗敏.如何提高課堂上對比性實驗的有效性[J].中華少年,2016,(30):183.

[3] 遲偉德.物理對比性實驗如何在教學中應用[J].中華少年,2016,(09):142.