例談實驗在物理習題教學中的應用

(江蘇省天一中學，江蘇 無錫 214101)

閱卷時，老師經常會有這樣的抱怨：“和這道相似的題目前前后后講了好多遍了，怎么一考還是錯呢？”很多情況下，教師講評習題時學生往往處于被動接受的地位，學生對老師的講解貌似理解和贊同，覺得應該是這樣的，但對問題缺乏更深的理解，沒有融會貫通，從而使得教學效果大打折扣，等到間隔時間稍長或題目情境變化時，學生又會重復犯錯。若將實驗和物理習題教學有機結合，相互促進、補充，在實驗情境下解決抽象的物理習題，能有效幫助學生理解物理現象和物理概念，掌握解題方法，形成良好的思維習慣，提升解題能力。

1 通過對比類驗證實驗，鞏固和深化易被錯用的物理概念和規律

圖1

例1(2011年浙江高考卷)：如圖1所示，鐵芯上繞有n1=800匝和n2=200匝的兩個線圈，輸入端接入電源u=51sin 314tV，則交流電壓表的讀數可能是( )。

A.2.0V

B. 9.0V

C. 12.7V

D. 144.0V

實驗驗證：用可拆變式壓器分別測量變壓器在鐵芯閉合和不閉合時的輸出電壓，進行對比實驗，當鐵芯沒有閉合時，電壓表示數比鐵芯形成閉合回路時的測量值要小很多，所以應選A。用直觀的實驗來驗證非閉合鐵芯上的漏磁現象，利用視覺沖擊使學生產生認知沖突，激發學生探知的欲望，避免空泛的說教，改善了教學效果，并有效地體現了物理學科的科學嚴謹性。

圖2

例2：一理想變壓器處于垂直紙面向里的勻強磁場中，初級、次級線圈的匝數之比為n1∶n2=4∶1，電路結構如圖2所示，當導體棒l向左做勻速運動時，A1表的讀數為12mA，則A2表的示數應為( )。

A． 3mA B． 0

C． 48mA D． 與負載R的值有關

錯因分析：與例1不同的是，由于此題注明是理想變壓器，不少學生便放松警惕，直接套用理想變壓器的變流公式求解，錯選C。

實驗驗證：為提高實驗的可視性和可操作性，可選用學生電源代替導體棒電源，用現象更直觀明顯的小燈泡替代外電阻。做對比實驗時，選擇學生電源的“交流”檔，由于實驗室用變壓器導線電阻較為明顯，會對小燈泡的發光現象造成較大的影響，為獲得明顯的實驗現象，變壓器可接為升壓變壓器，并逐漸增加學生電源的輸出電壓，使小燈泡接近正常發光；實驗時應保持輸出電壓不變，將電源旋至“穩壓”檔，結果顯示：小燈泡不發光，電流表指針不發生偏轉。實驗應注意：學生電源的“直流”檔的輸出電流僅僅是方向不變而大小會改變，仍能產生電磁感應現象，所以必須接“穩壓”檔，在實驗中，為防止損壞學生電源和變壓器，演示后應及時斷開電源。

對比實驗為學生提供了更為直觀的感官體驗，利用實驗中產生的截然不同的現象，使學生產生認知沖突，進而幫助學生激發探究興趣、促進深度思考，使學生對理想變壓器的結構、工作原理和理想化條件等知識有更為全面透徹的理解，正確應用公式解決物理問題。另一方面，從記憶效果的角度來講，利用實驗的感官刺激帶來的形象記憶和深度理解，相比機械的死記硬背，教學效果要好很多。

2 通過情境類演示實驗，發掘和利用易被忽視的隱含條件

圖3

例3：如圖3所示，地面固定兩根豎直桿，一根輕系在桿上的A、B兩點，一件衣服通過光滑鉤子掛在繩上，不計所有摩擦，衣服穩定在繩上的O點，若A端繩子位置保持不變，且不改變繩子的總長的條件下，將B端沿桿向下平移一小段距離，當衣服再次穩定后，與原來相比，繩中張力的變化情況是( )。

A． 變大 B． 變小

C． 不變 D． 條件不足，無法判斷

錯因分析：本題的難點是解題時學生感到無法獲得清晰的物理圖景，缺乏足夠的條件支撐，找不到問題的突破口，導致學生只能亂選。

實驗演示：當系統處于穩定時，在OA后放一把直尺，一邊恰好與OA線對齊；當B點下移時，引導學生觀察OA段繩與直尺邊的變化關系，從而發現當B端下移時，OA段繩子與直尺邊緣始終重合，即繩OA與豎直方向的夾角是定值，由共點力平衡方程可知，繩中的張力是不變的，應選C。

圖4

例4：如圖4所示，在觸發器的正下方，向上拋出一小球，初速度為v，小球恰好能擊中觸發器。若小球分別沿A、B、C、D四個不同的光滑軌道仍以速率v拋出小球．則小球可能能夠擊中觸發器的是( )。

圖5

實驗演示：為增強實驗的可操作性，控制小球的初速度，原題可等效設計為如圖5所示的實驗，只需驗證小球釋放后是否能夠回到原釋放高度。將小球分別從c、b、a位置釋放，不計摩擦阻力的情況下，c位置釋放的小球幾乎能到達等高處，b位置釋放的小球在到達圓周軌道的最高點前早已脫離圓軌道，a位置釋放的小球能順利通過圓周軌道的最高點，并從右邊軌道飛出后做斜拋運動，到達的最大高度明顯低于原釋放位置a。在實驗中，應重點引導學生觀察小球通過圓軌最高點和斜拋最高點時的運動情況，并分析動能和重力勢能的轉化關系，得到答案。

演示實驗的作用是將日常生活難以觀察到的物理現象，或者被視為理所當然而未引起注意的物理現象凸顯出來。[1]演示實驗可以幫助學生從實驗現象或實驗結果中反思原因，暴露物理現象中的隱含條件，為解決問題鋪設“臺階”，降低思維難度，使問題更容易解決。在此過程中，演示實驗還能培養學生的觀察能力和信息捕獲能力，提高其科學探究能力。

3 通過體驗類探究實驗，重現和細化易被遺漏的物理過程

圖6

錯因分析：解答該題時很多學生得到的錯誤答案是16cm，原因是忽視了粒子的受力方向和運動方向的關系，把兩軌跡圓與板相切時的情況理解為板上被粒子打中的最長區域長度P1P2(如圖7)。

圖7

實驗探究：此實驗可用鐵環、紙板和硬幣等圓形實物進行模擬探究，使之繞某一固定點旋轉，觀察圓周與ab板的交點的變化情況。此外，還可用圓尺畫圖探究，實驗的關鍵是控制好距離l與半徑R的比例關系，關注粒子的出射方向和受力方向，粒子運動時形成的是“順時圓”還是“逆時圓”，明確打至板ab前的是哪段弧，并在弧上標明箭頭，尋找到兩個臨界情況即可(如圖8)。

圖8

例6(2013年江蘇高考卷)：如圖9所示，砝碼的質量為m1，紙板的質量為m2，紙板和砝碼，紙板和桌面，砝碼和桌面間的動摩擦因數均為μ，重力加速度為g，現在紙板上施加一恒力，將紙板從砝碼下抽離。

圖9

(1) 要使紙板和砝碼產生相對運動，求所需的最小拉力F；

(2) 本實驗中，m1=0.5kg，m2=0.1kg，μ=0.2，砝碼與紙板左端的距離d=0.1m，取g=10m/s2。若砝碼的運動距離超過l=0.002m，就能被人眼感知。為產生砝碼未動的視覺效果，紙板所需的最小拉力是多少？

錯因分析：關于問題(1)，不少學生給出的結果是F=f=μ(2m1+m2)g，原因是將紙板相對桌面發生相對運動時的受力情況與紙板和砝碼發生相對運動時的受力情況相混淆，誤將紙板和桌面發生運動作為砝碼和紙板發生相對運動的條件；在問題(2)的解答中，很多學生把砝碼移動的距離l簡單理解為砝碼在加速過程中的位移x1，卻遺漏了砝碼離開紙板后由于慣性，將繼續在桌面做減速運動而向前通過的位移x2。

實驗探究：本題所需的實驗器材僅為一把直尺(代替紙板)和一塊橡皮(代替砝碼)，即使在高考考場上，依舊不妨礙學生進行即時的實驗探究。若紙板被緩慢地拉動時，砝碼相對紙板靜止一起向前運動；當繼續增大拉力時，砝碼和紙板可能相對靜止，一起加速運動；進一步增大拉力時，砝碼和紙板可能出現相對運動，當砝碼脫離紙板時，已獲得了一定速度，將在桌面上繼續做勻減速運動；當紙板所受拉力很大時，紙板獲得的加速度很大，相對砝碼被迅速抽出，砝碼的加速時間約為零，獲得的速度就趨近于零，故砝碼的運動幾乎無法被發現。

求解物理問題時，首先應進行受力分析，分析并明確研究對象的運動情況，將所涉及的物理過程逐一呈現，根據各個運動過程的特點，找到相應的條件，結合相應的物理知識，解決對應的物理問題。當學生難以明確物理過程時，探究實驗可以把物理過程直觀、清晰地再現出來，幫助學生準確認識和分析物理過程，使問題得以簡化和解決。

可見，當學生對習題中出現物理現象、隱含條件、物理過程等問題感到不解時，不妨考慮一下利用實驗突破困境，可大大提高教學效益。