凸顯實驗探究層次促進思維深度進階*
——以牛頓第三定律教學為例

2020-05-18 12:34:58任虎虎

物理通報 2020年5期

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學江蘇蘇州 215411)

學習進階是“對學生在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式的描述”．學習進階理論認為：學習是一個不斷積累、不斷發展的過程，學生對某一主題或核心概念的理解不是一蹴而就的，而是要經歷許多個不同的中間狀態，逐層進階，從“淺表”走向“深度”．

牛頓第三定律是力學三大基本定律，同時也是兩個普適規律之一——動量守恒定律的基礎，促進對牛頓第三定律深度學習能有效幫助學生建立相互作用觀念．筆者認為對牛頓第三定律的實驗過程可以分為4個層次，讓學生在探究中完成思維的深度進階，發展物理學科核心素養．

1 從定性到定量

在初中學習的基礎上，高中需要進一步研究作用力和反作用力間的關系．讓學生通過具身體驗，定性感知作用力和反作用力的可能關系，然后再借助彈簧測力計進行定量探究．

如圖1所示，引導學生用左右兩個食指對壓，學生在體驗和觀察的基礎上很自然地發現兩根食指的形變幾乎相同，進而生成有意義的猜想：作用力和反作用力的大小相等，方向相反，作用在同一條直線上．

學生的上述猜想是否正確呢？引導學生用所給的兩個彈簧測力計進行研究.學生將兩個彈簧測力計進行對拉，觀察讀數，驗證猜想．然后讓兩個學生一起向某一方向快速移動，再來讀數，此時學生發現在運動狀態下，彈簧測力計讀數遇到困難．

圖1 食指對壓體驗相互作用

2 從靜態到動態

對于上述問題，學生想到了一種解決方案，可以用相機的連拍功能，通過照片來觀察讀數.教師表揚學生的方法，嘗試操作一次，發現是可行的．然后介紹DIS平臺的力傳感器及其圖像在時間軸上下兩側的意義：反映力的方向．

將一個力傳感器固定在小車上，另一力傳感器握在手中在水平面上拉動，讓整個裝置一起運動起來，如圖2所示,在電腦上得到的圖像如圖3所示.

圖2 用力傳感器研究相互作用力的裝置示意圖

圖3 作用力和反作用力的圖像

師：作用力和反作用力的圖像有什么特點？你能得出哪些結論？

生甲：圖像關于時間軸對稱，說明作用力和反作用大小相等，方向相反．

生乙：對稱還可以說明作用力和反作用力同時產生，同時變化，同時消失．

師：物塊的初速度為多少？末速度為多少？物塊的運動可以分為幾個過程？可以得出什么結論？

生丙：初速度和末速度都為零，物塊的運動可以分為兩個過程，加速過程和減速過程．說明在有加速度的運動過程中物體間的相互作用力仍大小相等，方向相反，同時產生，同時變化，同時消失．

3 從接觸力到非接觸力

從力的分類角度出發，力可以分為接觸力和非接觸力.上面研究的都是接觸的情況，接下來用兩個大小和磁性都不相同的磁鐵來研究非接觸力間的相互作用關系.可以先引導學生設計實驗方案．

在學生和教師的相互協商和共同努力下得出如圖4所示的實驗裝置原理圖．

圖4 非接觸力的相互作用實驗裝置原理圖

實驗器材：DIS實驗平臺(數據采集器、力傳感器2個、計算機)，兩個不同的磁鐵，鐵架臺2個，光滑桿，細線，小圓環2個，橡皮筋2個，銅絲．

裝置介紹：首先，將兩個相同的鐵架臺對稱放置，兩個力傳感器固定在鐵架臺下方，在兩鐵架臺的上端焊接兩個光滑的小圓環，將一根光滑的鐵桿穿過兩個小圓環，在光滑鐵桿中間套兩個活動的小圓環，在鐵桿兩端各套兩個橡皮筋(防止鐵桿滑落)；其次，通過兩根細線將活動的小圓環和兩個不同的磁鐵懸掛起來，通過調節讓兩個磁鐵保持水平并盡可能讓它們的軸線在同一直線上；最后，通過細線將兩磁鐵和力傳感器分別連接．為了減小實驗誤差，將力傳感器前段的鐵質掛鉤擰下來，將細線和銅質部分連接，為了后續實驗，可以制作銅質掛鉤讓一個磁鐵方便取下來，如圖5所示．

圖5 裝置的細節

該裝置在豎直方向上磁鐵重力和細線拉力平衡，兩力傳感器的示數反映兩磁鐵間的非接觸力大小，實驗時可以將兩個鐵架臺向外移動，改變兩鐵架臺間的距離從而改變兩磁鐵間的距離，觀察運動過程中非接觸力間的相互大小關系．當兩磁鐵的距離變大時細線不再豎直，如圖4中的虛線所示，此時光滑桿上的活動小圓環就會自動發生移動，從而保證細線始終處于豎直狀態．自制的實驗實物裝置如圖6所示．