立足學(xué)生視角設(shè)計(jì) 提高實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)效率
——以“力學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)”教學(xué)為例

葉 曉 梁 旭

(1. 杭州市余杭高級(jí)中學(xué),浙江 余杭 311100; 2. 浙江省教育廳教研室,浙江 杭州 310012)

實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)通常的方法是對(duì)之前做過的學(xué)生實(shí)驗(yàn)逐個(gè)復(fù)習(xí),這種方法既費(fèi)時(shí)間,效果也不是很好,原因是學(xué)生并不是對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)、方法和操作技能不知道,而是對(duì)相近內(nèi)容易混淆、難點(diǎn)內(nèi)容還沒有真正掌握．教師如果能夠在平時(shí)的教學(xué)和訓(xùn)練中,不斷積累學(xué)生的錯(cuò)誤和學(xué)習(xí)中的難點(diǎn),對(duì)錯(cuò)誤原因進(jìn)行診斷,對(duì)難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行分析,按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理和注意事項(xiàng)等維度組織復(fù)習(xí)教學(xué)．教學(xué)中對(duì)于器材的靜態(tài)特征可以用照片進(jìn)行教學(xué),對(duì)于動(dòng)態(tài)的操作,應(yīng)該用視頻進(jìn)行教學(xué),對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)處理,可選擇合適的問題進(jìn)行教學(xué)．根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容確定合適的問題情境類型,既可以發(fā)揮學(xué)生的主體性,又提高實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)效率．下面以力學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)為例進(jìn)行說明．

1 會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器夯實(shí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)器材是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,8個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中有5個(gè)實(shí)驗(yàn)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器．作為一種器材,學(xué)生不僅要認(rèn)識(shí)它,還要正確使用它．

問題情景:兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(圖1),電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源連接(圖2),紙帶安裝圖(圖3)．

圖1

圖2

圖3

表1

問題1. 圖1中哪個(gè)是電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器?哪個(gè)是電火花計(jì)時(shí)器?2. 這兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器只是記錄時(shí)間的儀器嗎?它們的異同點(diǎn)有哪些?3. 圖2中電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的接線正確的是哪個(gè)?4. 圖3中電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶安裝正確的是哪個(gè)?5. 為什么從紙帶上的點(diǎn)的信息能夠獲取運(yùn)動(dòng)物體的信息?

說明:問題2,相同點(diǎn):都是同時(shí)記錄時(shí)刻和位置(位移)的儀器,點(diǎn)間時(shí)間間隔均為0.02 s,不同點(diǎn):打點(diǎn)原理不同,工作電壓不同,紙帶安放要求不同等．問題5,由于物體拖著紙帶一起運(yùn)動(dòng),物體的運(yùn)動(dòng)情況與紙帶的運(yùn)動(dòng)情況相同,所以紙帶上點(diǎn)的信息能夠反映物體的運(yùn)動(dòng)．

2 結(jié)合裝置分析原理把握裝置的特征

問題情景:幾個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的裝置(圖4)．

(a)

(b)

(c)

表2

問題 1. 圖4a和b實(shí)驗(yàn)裝置的區(qū)別是什么? 2. 這兩個(gè)裝置對(duì)應(yīng)完成哪個(gè)實(shí)驗(yàn)?是否都需要平衡摩擦力? 3. 用圖4a做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí),為什么需要滿足M? m? 4. 用圖4c做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)時(shí),為什么不能用v=gt計(jì)算速度?

說明:對(duì)于問題3,在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)牛頓第二定律,在復(fù)習(xí)階段,學(xué)生已經(jīng)具有用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析實(shí)際問題的素養(yǎng)了,就應(yīng)該要求學(xué)生從理論角度獨(dú)立推理出實(shí)驗(yàn)條件．對(duì)于問題4,因?yàn)橄陆蹈叨萮是直接從紙帶上測(cè)量的,是確定的,如果選用v=gt計(jì)算速度(t=0.02(n-1)s,n為點(diǎn)數(shù)),相當(dāng)于根本不考慮阻力,把運(yùn)動(dòng)“認(rèn)定”為自由落體,即已經(jīng)“認(rèn)定”為機(jī)械能守恒了,假設(shè)用這種計(jì)算速度方法,在水中做實(shí)驗(yàn),也仍能得到機(jī)械能守恒這一錯(cuò)誤結(jié)論,顯然這與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證要求不符．

3 掌握物理量測(cè)量方法突破實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

3.1 速度和加速度的測(cè)量

問題情景1:如圖5所示是實(shí)驗(yàn)時(shí)打出的一條紙帶,A,B,C,D…為每隔4個(gè)點(diǎn)取的計(jì)數(shù)點(diǎn),據(jù)此紙帶可知小車在D點(diǎn)的速度大小為________m/s(小數(shù)點(diǎn)后保留兩位)．

圖5

問題情景2:“探究功與物體速度變化的關(guān)系”的裝置如圖6a所示,圖6b是小車運(yùn)動(dòng)過程中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的一系列點(diǎn),則小車離開橡皮筋后的速度為________m/s(保留兩位有效數(shù)字)．

圖6

表3

問題 1. 圖5、6分別要求速度值“小數(shù)點(diǎn)后保留兩位”和“保留兩位有效數(shù)字”,有什么區(qū)別? 2. 圖5中D點(diǎn)的速度大小如何求?數(shù)值是多少?如何求這條紙帶的加速度? 3. 圖6中“小車離開橡皮筋后的速度”怎樣求?數(shù)值是多少?

圖7

3.2 質(zhì)量的測(cè)量

問題情景:托盤天平(圖7)．

表4

3.3 力的測(cè)量

問題情景:圖8是3位同學(xué)“平衡摩擦力”時(shí)的操作視頻截圖,圖9、10、11和12是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)的照片,圖13a是規(guī)格為50g的鉤碼、圖13b是砝碼、圖13c是重錘．

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

圖13

表5

問題1. 從視頻中我們看到,3位同學(xué)“平衡摩擦力”時(shí),有的已掛了砝碼盤,有的車后拖了紙帶(圖8所示),車子有的靜止,有的勻速,有的加速.“平衡摩擦力”正確的操作與是否已被平衡的判斷要求是怎樣的?2. 圖13中的(c)是什么?上面是否標(biāo)了質(zhì)量?3. 有同學(xué)在盤中分別放入1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)…鉤碼用于改變拉力的大小,這樣做有無不妥?4. 圖9、10、11和12是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)的照片,你能找到幾處不規(guī)范的操作嗎?5. “探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí),對(duì)滑輪位置有否要求?為什么?

說明:問題1中“平衡摩擦力”時(shí)需要在車子后拖上紙帶,車子應(yīng)該緩慢持續(xù)運(yùn)動(dòng)(直接判斷勻速運(yùn)動(dòng)有困難)．問題3在盤中分別放入1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)…鉤碼用于改變拉力的大小的做法是不妥的,原因是不能保證m?M,另外,由于鉤碼質(zhì)量較大,小車的加速度較大,運(yùn)動(dòng)過程中有脫軌掉到地上的危險(xiǎn)．問題4中不規(guī)范之處有:細(xì)繩與桌子邊緣接觸,盤中不應(yīng)該放鉤碼而應(yīng)該放砝碼,車子里應(yīng)該放鉤碼而不是砝碼．

3.4 功的測(cè)量

問題情景:

A 探究做功與物體速度變化的關(guān)系

B. 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

C. 研究平拋運(yùn)動(dòng)

D. 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

表6

問題1. 在“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí),為了使橡皮筋拉力做功成為合外力做的功,需要滿足什么條件? 2. 為了測(cè)量簡(jiǎn)單,我們?nèi)绾翁幚硐鹌そ顝椓ψ龅墓?對(duì)幾條橡皮筋有什么要求?3. 在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)時(shí),動(dòng)能增量如何測(cè)量?勢(shì)能減少量又如何測(cè)量?這兩個(gè)值哪個(gè)稍大一些?為什么?4. 為了減小阻力對(duì)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)的影響,實(shí)驗(yàn)操作上有怎樣的要求?5. 在“研究平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)時(shí),是否可以通過測(cè)量小球下降高度,再用mv2/2=mgh計(jì)算得到水平拋出速度?為什么?6. 圖14哪些實(shí)驗(yàn)中的研究對(duì)象要從同一位置自靜止開始運(yùn)動(dòng)?

說明:問題3,常選擇初速度為0的紙帶進(jìn)行處理,通過測(cè)量紙帶上的速度和位移算出動(dòng)能增量和勢(shì)能減少量,由于阻力的作用,勢(shì)能減少量大于動(dòng)能增量．問題5,小球與斜槽之間雖然存在阻力,但這個(gè)阻力并沒有做功(小球是純滾動(dòng)),由于小球在下滾的過程中,速度與角速度變大,重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成了平動(dòng)動(dòng)能(mv2/2)和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能(Iω2/2)之和,所以不能用mv2/2=mgh求水平拋出速度．問題6,“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”和“研究平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象要從同一位置自靜止開始運(yùn)動(dòng),前者是為了保證每次每根橡皮筋做功相等,后者是為了保證每次實(shí)驗(yàn)軌跡是重合的．

4 正確處理數(shù)據(jù) 獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果

問題情景1:用如圖15(a)裝置做“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”實(shí)驗(yàn),有同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的圖像如15(b)所示．

圖15

問題情景2:圖16是“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)時(shí)將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)描在v-t圖像后,3個(gè)同學(xué)得到的a、b、c3種擬合方式．

圖16

表7

問題 1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí),為什么一般都是用圖像來處理?圖像方法有什么好處? 2. 為了能更加直觀地確定W與v之間的關(guān)系,圖15(b)圖像應(yīng)如何轉(zhuǎn)換? 3. 得到直線為什么比曲線好?力學(xué)實(shí)驗(yàn)還有哪些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用“化曲為直”的方法? 4. 圖16中哪位同學(xué)的v-t圖是正確的?為什么? 5. 在求解圖像類問題時(shí),除了觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布外,是否還有影響畫圖像的因素?

說明:問題4中,圖16b是正確的．因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)是有誤差的,讓圖像經(jīng)過每一個(gè)點(diǎn)的做法是不合適的．圖像反映的其實(shí)是物理規(guī)律,物理規(guī)律通常是簡(jiǎn)潔、和諧的,圖像a、c都沒有滿足．作圖時(shí)應(yīng)先觀察所描點(diǎn)的分布是否大體在一條直線上,猜測(cè)變量間可能遵循的規(guī)律,然后進(jìn)行擬合,讓盡可能多的點(diǎn)過擬合線,沒有落在擬合線上的點(diǎn)大致對(duì)稱分布．問題5,考慮到初學(xué)階段進(jìn)行規(guī)律探究時(shí)規(guī)律對(duì)于學(xué)生來說還是未知的,作圖時(shí)只能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,但問題求解時(shí),學(xué)生已經(jīng)掌握了規(guī)律,作圖時(shí)既要考慮數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布,也要考慮實(shí)驗(yàn)情境中物體運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律．例如本題“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)情境是小車被系著重物的繩子拉著在水平面上運(yùn)動(dòng),是勻變速直線運(yùn)動(dòng),v-t圖像應(yīng)為直線．