培養初中生物理模型建構意識的滑輪實驗設計

張永明

摘 要：物理模型建構意識是中學生物理核心素養的重要內容，對學生的學習和生活具有積極影響。在初中物理課堂中，使用滑輪實驗為學生營造真實情境，幫助學生理解滑輪模型的基本特點，進而使學生體驗模型建構過程，理解模型建構的重要意義，形成主動建構模型的意識。

關鍵詞：模型建構;滑輪模型;實驗設計

【中圖分類號】G【文獻標識碼】B【文章編號】1008-1216（2019）10B-0086-02

中學生物理核心素養越來越被教育者們重視，中學生物理核心素養是指，中學生通過物理課堂教育形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。培養中學生的物理核心素養有助于學生創新創造，更好地在社會上生存。中學生物理核心素養要求學生具有科學探究的能力，科學探究的重要一步包括模型建構，培養初中生的物理模型建構能力首先要讓學生具有模型建構的意識。可見，在初中物理課堂教學中培養學生的物理模型建構意識具有重要意義。

物理模型是為了理解、解釋或解決問題，對實際問題或實際情境的抽象與概括，是解決問題的重要方法。物理模型主要包括，對象模型、過程模型、條件模型。物理模型來源于實際問題和情境，初中生物理模型建構意識的培養也應該依賴于實際問題和情境，物理教學實驗可以為學生提供真實的情境，學生通過對實驗現象的感官體驗和自我思考，發現、理解、解釋、解決問題。

滑輪是初中物理繼“力、運動、能”之后的重要內容，是對之前學習內容的綜合應用，滑輪屬于簡單機械，包括定滑輪、動滑輪和滑輪組，滑輪模型屬于條件模型，常會忽略滑輪與繩的摩擦、繩重、滑輪重力等因素建構滑輪模型。對于滑輪模型的認識，不少學生將之混為一談，分不清楚不同模型之間的差異。

筆者通過長期實踐發現，通過物理實驗為學生營造真實的情境，將真實的滑輪及滑輪組一步步理想化為滑輪模型，幫助學生從本質上認識滑輪，理解滑輪模型的建構過程，從而培養其通過模型建構解決問題的意識，完善其物理思維。

一、實驗設計內容

（一） 定滑輪

定滑輪是軸固定不動的滑輪。為了研究定滑輪特點，采用輕質滑輪1個，滑輪架1個，棉線1根，50cm直尺1個，50g～200g勾碼1組，力傳感器1個。具體的實驗步驟與實驗現象為：（1）搭建實驗器材，將輕質滑輪固定在滑輪架上，將棉線繞于滑輪上;（2）棉線的左端懸掛150g勾碼，右端懸掛200g勾碼，發現200g勾碼一端落于水平面上，150g勾碼被吊起，如圖1.1所示;（3）將右端200g的勾碼減重至150g，此時棉線兩端的勾碼均被吊起且與水平面相對靜止，如圖1.2所示;（4）將左端勾碼向上移動10cm，發現右端勾碼向下移動10cm;（5）將右端勾碼取下，將右端棉線與力傳感器相連，如圖1.3所示，通過拉動力傳感器使左端砝碼懸空靜止，此時通過計算機采集力傳感器數據;（6）用力傳感器直接測量左端勾碼懸空時的受力情況，力傳感器兩次采集數據如圖1.4所示。

由上述步驟⑴～⑶可以定性的看出，定滑輪不會改變力的大小和沿力方向通過的距離，但可以改變力的方向。由步驟⑸和⑹所得數據可以定量的看出，當定滑輪懸掛1.5N的重物時，拉力的大小約為1.35N，略小于物重，這主要是因為滑輪和棉線之間存在摩擦，而且棉線的重力也會對實驗結果產生影響。

基于以上實際情況，在忽略滑輪與棉線之間的摩擦、忽略棉線的質量的情況下，建立理想的定滑輪模型，定滑輪模型的特點為：不省力也不費距離，但可以改變力的方向，定滑輪屬于等臂杠桿。

（二） 動滑輪

動滑輪是軸隨被吊物體一起運動的滑輪。利用定滑輪實驗器材，繼續研究動滑輪特點。具體的實驗步驟與實驗現象為：（1）搭建實驗器材，將棉線左端與滑輪架連接并固定，將滑輪置于棉線上，滑輪下與150g勾碼相連，用手提拉棉線右端;（2）將勾碼向上移動10cm，發現右端繩子末端向上移動了20cm;（3）將右端棉線與力傳感器相連，沿豎直向上方向拉動力傳感器，如圖2.1所示，當砝碼懸空靜止時利用計算機采集力傳感器的數據;（4）用力傳感器直接測量勾碼懸空時的受力情況，力傳感器兩次采集數據如圖2.2所示。

由上述步驟（1）和（2）可以定性的看出使用動滑輪提升勾碼，當有兩段繩子與動滑輪相連時，沿拉力方向移動的距離是勾碼運動距離的兩倍。由步驟（3）和（4）所得數據可以定量的看出，當利用動滑輪提升重力為1.5N的勾碼時，拉力的大小約為0.9N。對勾碼受力分析，為了觀察規律，將滑輪和勾碼視為一體，統稱懸掛物，受力圖如2.3所示，懸掛物受重力和兩段繩子的拉力，這三個力使懸掛物處于靜止狀態，即三力平衡，所以兩段繩子共同的拉力大小等于懸掛物所受重力，又因為兩繩子方向均沿豎直方向，所以兩繩子的拉力分別應為懸掛物重力的一半。但是實際情況卻是0.9N，遠大于勾碼重力的一半即0.75N。這是因為實際情境中滑輪具有一定的質量，而且棉線也有質量，棉線與滑輪之間有摩擦力，使得測量數據偏大。

忽略滑輪的質量、棉線的質量、滑輪與棉線之間的摩擦，建立理想的動滑輪模型。動滑輪模型的特點為：當連接動滑輪的繩子段數為兩段時，省一半的力，多費一倍的距離，而且不改變力的方向，動滑輪屬于省力杠桿。

（三）滑輪組

在研究動滑輪特點時，由于棉線一端固定，且動滑輪不改變力的方向，所以棉線另一端的拉力向上，不利于定性的觀察動滑輪特點。在此基礎上為該實驗加入一個可以改變力的方向的定滑輪，而人們將動滑輪和定滑輪的組合稱作滑輪組。

為了研究滑輪組與動滑輪、定滑輪的聯系與差別，進一步設計實驗，具體的實驗步驟與實驗現象為：（1）在上述動滑輪的實驗裝置中加入一個定滑輪，組裝為滑輪組1，動滑輪懸掛300g勾碼，連接定滑輪的棉線右端懸掛150g勾碼，發現300g勾碼落于水平面上，150g勾碼被懸于空中，如圖3.1所示;（2）在150g勾碼上加重約15g的配重，將觀察到300g勾碼懸空，如圖3.2所示;（3）將勾碼向上移動10cm，發現右端棉線向下移動20cm;（4）將棉線右端的150g勾碼和配重取下，并連接力傳感器，如圖3.3所示，待動滑輪上的勾碼靜止時，記錄力傳感器數據，接著用力傳感器直接測量勾碼重力，測試結果如圖3.4所示;（5）更改滑輪組連接方式如圖3.5，稱為滑輪組2，動滑輪懸掛300g勾碼，通過定滑輪的右端繩子連接力傳感器并測量拉力，將勾碼向上移動10cm，發現右端棉線向下移動20cm;（6）更改滑輪組連接方式如圖3.6，稱為滑輪組3，動滑輪懸掛300g勾碼，通過定滑輪的右端繩子連接力傳感器并測量拉力，將勾碼向上移動10cm，發現右端棉線向下移動30cm，接著用力傳感器直接測量勾碼重力，步驟（5）、（6）的測試結果如圖3.7所示。

步驟（1）～（4）進一步驗證了動滑輪的特點。滑輪組結合了動滑輪和定滑輪的共同特點，可以通過其中的定滑輪改變拉力的方向，通過動滑輪減小拉大的大小。將步驟⑷所得數據與步驟（5）、（6）的數據對比發現，滑輪組可以改變拉力的方向。拉力的大小與動滑輪連接繩子段數有關，與動滑輪和定滑輪的相對位置無關，由圖3.4和3.7可見勾碼重3N，連接動滑輪的繩子段數為2段時，拉力的大小均約為1.6N，略大于勾碼重力的一半即1.5N，連接動滑輪的繩子段數為3段時，拉力的大小均約為1.1N，略大于勾碼重力的三分之一即1N。若忽略滑輪重力、繩重、繩與滑輪的摩擦力，通過受力分析可以發現連接動滑輪的繩子段數為2段時，拉力的大小為勾碼重力的一半，連接動滑輪的繩子段數為3段時，拉力的大小為勾碼重力的三分之一。沿拉力方向移動的距離也與連接動滑輪的繩子段數有關，段數為2時，拉力方向移動的距離是勾碼上升高度的2倍，段數為3時，則為3倍。

忽略滑輪的質量、棉線的質量、滑輪與棉線之間的摩擦，建立理想的滑輪組模型，滑輪組模型集動滑輪和定滑輪的特點于一體，當連接動滑輪的繩子段數為n段時，拉力的大小為物重的1/n，繩沿拉力方向移動的距離是物體提升高度的n倍，并且可以改變力的方向。

二、結論

1.通過物理教學實驗培養初中生的模型建構意識，要將實際情況呈現給學生。學生日常經驗來源于實際生活，對實際情境有著更多的體驗和認識，在此基礎上開展教學，簡化條件，建構物理模型，促進問題解決，有利于激發學生建構模型的興趣和意識。

2.通過物理教學實驗培養初中生的模型建構意識，要將模型建構與理論推理相結合。物理模型常常是理想化的模型，在真實體驗的基礎上，要結合想象，合理推理，建立具有普適性的物理模型，輔助某些特定問題或一類問題的解決，因此在培養初中生模型建構意識時要考慮學生推理能力的發展水平。

3.通過物理教學實驗培養初中生的模型建構意識，要在模型建構的過程中體現知識之間的內在聯系。知識間本就存在著內在的關聯，在模型建構的過程中要依據邏輯層次，合理的進行建構，教學要符合學生最近發展區的規律特點，保證初中生高效地掌握模型建構規律，發展其主動建構模型的能力和意識。

4.通過物理教學實驗培養初中生的模型建構意識，要重視學生對實際情況轉化為理想模型這一過程的情感體驗。不少教師在教學中忽視知識建構“過程”的教學，物理模型建構意識的培養依賴于學生對模型建構過程的體驗，學生經歷模型建構的過程，有利于理解模型建構的深層含義，認識到模型建構的重要性，養成模型建構的意識。

參考文獻：

賁可敬.以課堂轉型促核心素養培育——以初中物理教學改革為例[J].江蘇教育，2019，（3）.