高中物理探究性實驗的設(shè)計與學(xué)習(xí)方法研究*

■謝 睿

一、探究性實驗的設(shè)計原則

1.可探性原則。物理探究性實驗對可探究性因素或物理規(guī)律進行深度研究,其選題、難度、內(nèi)容既不受考試壓力的限制,也不可超出同學(xué)們的理解水平。

2.參與性原則。全體同學(xué)參與到探究性實驗過程中,可以劃分為不同的小組,形成小組內(nèi)部討論和外部討論兩種交流形式,使控制條件、操作過程、統(tǒng)計計算等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的分歧得到充分研究。

3.有效性原則。精選適合探究的物理實驗內(nèi)容,不拘泥于固定的探究步驟和環(huán)節(jié),根據(jù)具體實驗做出具體分析。此外,探究性實驗應(yīng)做到探究與學(xué)習(xí)的平衡,力求對實驗內(nèi)容的主干分析透徹,提升實驗的內(nèi)在質(zhì)量。

二、探究性實驗設(shè)計的基本步驟

1.初步探究,提出問題與猜想。“傾斜傳送帶”模型實驗的重點是借助已有的實驗器材得到相對位移、摩擦生熱等結(jié)論,教材將“物塊”假設(shè)為具有一定質(zhì)量的物體,而不再考慮現(xiàn)實實驗操作的問題。高中物理實驗室現(xiàn)有傳送帶實驗平臺,其平臺裝置能夠轉(zhuǎn)變方向、傾角和速度,且在傳送帶上加裝了傳感器,記錄物塊通過的時刻。

提出問題1：傾斜傳送帶遵循“牛頓第二定律”原理,其摩擦力大小與接觸面粗糙程度、壓力相關(guān),那么,在實驗中是否還存在影響摩擦力大小的其他因素?

猜想與假設(shè)1：除粗糙程度、壓力外,根據(jù)壓強中“增大接觸面積可減小壓強”,探究滑動摩擦力大小是否與接觸面積成反比。

提出問題2：傾斜傳送帶的動摩擦因數(shù)與tanθ的關(guān)系是否影響到物體的運動過程,是否與理論分析一致?

猜想與假設(shè)2：通過改變傳送帶角度改變動摩擦因數(shù)與tanθ的大小關(guān)系,從而探究出動摩擦因數(shù)與tanθ大小關(guān)系對運動狀態(tài)的影響。

2.設(shè)計實驗條件,進行實驗探究。在提出問題、猜想與假設(shè)后,圍繞探究內(nèi)容開展探究性實驗,完成設(shè)計實驗和進行實驗兩部分內(nèi)容。

設(shè)計實驗1：彈簧測力計能夠較為準(zhǔn)確地測出物體間存在的滑動摩擦力。在探究性實驗中,將彈簧測力計的一端固定到傳送帶平臺上,且這一端不會發(fā)生移動,另一端拉住物塊,使物塊與彈簧測力計保持在同一條水平線上。按照以上的操作方式,更換彈簧測力計一端的物塊,使物塊質(zhì)量不變,只改變物塊與傳送帶的接觸面積。

設(shè)計實驗2：選定實驗常用的物塊,僅改變對照組傳送帶的傾角,以不同的傾角開展對比性實驗,得到動摩擦因數(shù)與tanθ的關(guān)系。每次實驗都將物塊以零速度放置于傳送帶一端,并將光傳感器固定在傳送帶上,以物體通過遮光片的時刻記錄時間,并由tracker軟件推導(dǎo)出物塊的速度,形成物塊的速度—時間圖像和位移—時間圖像,其結(jié)果用于同學(xué)們判斷傾角與運動狀態(tài)的關(guān)系。

進行兩組實驗：按照僅改變單一變量的原則,嚴(yán)格進行兩大問題的探究實驗。一方面注意操作細節(jié),最大程度地保障傳送帶平臺的穩(wěn)定性,減少人為操作對實驗結(jié)果的影響；另一方面規(guī)范實驗數(shù)據(jù)的記錄,確保能夠掌握探究實驗的目的、過程、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容,提升實驗的有效性。

3.分析與論證實驗。

分析與論證1：彈簧測力計在靜止物塊放上運動傳送帶后,先出現(xiàn)快速的彈簧拉伸現(xiàn)象,而后穩(wěn)定在相對固定的最大數(shù)值。通過采用實驗室提供的等質(zhì)量兩種接觸面積的物塊,記錄彈簧測力計的最大拉伸數(shù)值。經(jīng)過多組同學(xué)的同條件實驗發(fā)現(xiàn),兩種不同接觸面積物塊的最大拉伸值穩(wěn)定在0.4N。由此,探究性實驗驗證了在傳送帶上物體間的摩擦力大小與接觸面積無關(guān)。

分析與論證2：結(jié)合物理實驗室提供的參考性信息,當(dāng)傳送帶傾角為45°時,動摩擦因數(shù)與tanθ數(shù)值相等,考慮到實際操作存在一定的磨損。為此,探究性實驗記錄了在30°、44°、46°、60°四種傾角下的速度變化結(jié)果。通過獲取的時刻數(shù)據(jù),并基于tracker軟件處理出物塊的位移—時間圖像和速度—時間圖像。經(jīng)過對比分析,在傾角為30°時,物塊的位移—時間圖像增長先緩慢后穩(wěn)定,先弧線后直線,其速度—時間圖像先增長而后達到傳送帶速度保持穩(wěn)定；在傾角為44°、46°時,完成相同位移的時間縮短,而曲線形狀沒有較大改變,其速度—時間圖像達到傳送帶速度的時間有所縮短；在傾角為60°時,物塊的位移—時間圖像整體呈曲線,后期曲線斜率增大,其速度—時間圖像中速度不斷增加,且分為兩段,前端加速快,后端加速慢。由此,探究實驗驗證了傾斜傳送帶的動摩擦因數(shù)與tanθ的關(guān)系決定著物塊的運動狀態(tài)。

三、探究性實驗過程中的學(xué)習(xí)方法

以上探究性實驗的學(xué)習(xí)設(shè)計合理地將探究實驗的基本步驟融入其中,同學(xué)們明確了探究目的、方式、過程和分析等內(nèi)容。但僅按照以上學(xué)習(xí)設(shè)計開展實驗活動,往往會讓同學(xué)們不知所措。因此,還應(yīng)采用一定的學(xué)習(xí)方法進行輔助。

1.運用DIS平臺優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)。DIS實驗平臺是以計算機、傳感器、實驗計算軟件、數(shù)據(jù)采集器等為主體的自動化實驗數(shù)據(jù)記錄、分析系統(tǒng)。其優(yōu)勢在于能夠自動采集密集性數(shù)據(jù)并進行一定程度的計算,有效地幫助同學(xué)們完成實驗數(shù)據(jù)記錄工作。比如在探究“猜想與假設(shè)2”時,可以將傾斜傳送帶平臺的光感應(yīng)器與DIS 實驗平臺相連,通過數(shù)據(jù)采集器將感應(yīng)器信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛涗洉r間的信號,并展示在計算機屏幕上。

2.結(jié)合實驗數(shù)據(jù),量化不同物理量關(guān)系。在“猜測與假設(shè)2”中,同學(xué)們能夠從DIS 平臺直接獲取物塊的位移—時間圖像和速度—時間圖像,但圖像與運動狀態(tài)的直接聯(lián)系還未建立起來。首先,分析實驗圖像的斜率,在位移—時間圖像上獲取多個時刻的速度,將整秒時刻的速度進行量化；在速度—時間圖像上獲取多個時刻的加速度,比較整秒時刻的加速度。然后,將獲取的“速度”“加速度”兩個物理量進行計算驗證,使物塊的運動狀態(tài)得以清晰地表達。最后,采用人工制圖的方式,將物塊和傳送帶的速度—時間關(guān)系繪制在一張圖上,通過兩者在圖像上的面積差,得出物塊與傳送帶的相對位移。通過以上的數(shù)據(jù)處理,物理量之間的關(guān)系得以量化,實驗數(shù)據(jù)與運動過程相互印證,使同學(xué)們的探究和理解水平得以提升。

3.運用實驗結(jié)論,推導(dǎo)抽象模型。“牛頓第二定律”是力學(xué)實驗研究的理論基礎(chǔ),探究性實驗應(yīng)結(jié)合一定數(shù)量的對照實驗和實驗結(jié)論,推導(dǎo)出抽象模型,使探究性實驗的結(jié)論具有普遍意義。

四、總結(jié)

高中物理的探究性實驗,不僅應(yīng)做好探究實驗的學(xué)習(xí)設(shè)計,還應(yīng)結(jié)合教材理論,運用一定的學(xué)習(xí)方法進行深層次學(xué)習(xí)。