物理習題教學實驗化的途徑與案例分析

汪路斌 馬亞鵬

(1. 銀川一中，寧夏 銀川 750001； 2. 銀川九中，寧夏 銀川 750011)

物理習題教學有助于鞏固、深化和活化知識，增進學生的物理問題解決能力.然而，教學實踐中能夠見到的多數的物理習題，在編制上多有不足，主要表現在習題設計脫離實際，甚至存在為編制試題而設計虛假物理過程的現象，不符合物理學以觀察(實驗)為基礎的特點.為改進習題教學的上述弊病，有學者提出了物理習題教學實驗化的觀點，并對其意義展開了研究，也有研究者依據建構主義學習觀和認知心理學理論給出了物理習題實驗化的理論依據，界定了物理習題教學實驗化的概念，給出了設計原則.對于物理習題教學實驗化的具體途徑的討論還略顯單薄.為此，筆者在教學實踐中通過運用真實物理實驗、仿真實驗和數學分析軟件3個途徑優化了習題教學，通過物理習題教學實驗化促進學生在科學思維、探究精神、實踐意識等方面的能力得到有效的提升.

1 利用真實物理實驗檢驗解題結果

通常在習題教學時，教師往往根據物理理論和方法對問題進行推理論證，形成合理的解釋.這對學生的思維發展大有裨益，但其缺點也是顯而易見的：一是學生因缺乏相應的感性認識導致學習困難； 二是學生對解題結果缺乏直觀的信任感.為此，就需要利用真實實驗檢驗解題結果，通過實驗強化論證過程.

例1.電子技術中，

從某一裝置輸出的交流常常既有高頻成分，又有低頻成分.如果只需要把低頻成分輸送到下一級裝置，可以在下一級電路的輸入端并聯一個電容器，如圖1所示.這樣，進入下一級的高頻成分就很少了.這種電容器叫做高頻旁路電容器.說一說，這個電容器怎樣起到高頻旁路的作用.

圖1

本題來源于人教版選修3-2的第5章第3節電感和電容對交變電流的影響問題與練習第3題.考查高頻旁路電容器通高頻阻低頻的作用.常規的理論分析往往枯燥且學生不易理解，為此，我們設計了一個實驗進行檢驗.

圖2

如圖2所示，用電腦或手機播放音樂產生高低頻混合的電流信號，用耳機線導出信號連接到喇叭上，分別觀察給喇叭并聯上電容器前后喇叭播放的音樂有何不同.結果發現并聯上電容后，聲音瞬間變微弱.這一結果有助于學生理解一部分高頻信號通過了電容器，很少的一部分低頻信號通過喇叭，通過喇叭的信號攜帶能量較少，所以聲音變弱了.由于并聯電容后聲音很小，不能辨別播放的音樂有沒有因部分頻率信號的損失而失真.為了解決這一問題可以將小喇叭換成有功放的音響繼續探究.

例2.對于分運動與合運動的習題，給出兩個互相垂直方向的分運動，畫出物體真實的運動軌跡.學生的日常生活中很少接觸到這種復合運動，即使有也很少有學生留意到，有較深的體會.為了給學生以豐富的真實的體會，制作了“運動的合成與分解實驗儀器”，如圖3.采用廢舊錄音機里的傳動裝置與窗簾導軌配合，電動機轉動拖動玻璃管水平方向做勻速直線運動，關掉電源掛上鉤碼拖動玻璃管水平方向做勻加速直線運動.豎直方向玻璃管中浮子在最初很短一段時間做加速度減小的加速運動，很快便做穩定的勻速直線運動.學生在反復觀察中對合運動有了直觀的感知，為進一步的理論分析打下堅實的基礎.

(a) 結構示意圖

(b) 實物圖

例3.在對“單晶體有各向異性”這句話判斷時，學生有很大的疑惑，甚至是懷疑，形狀規則，密度均勻的單晶體物理性質竟然會因方向而有差異.要讓學生對此深信不疑，就需要實驗的支撐.如圖4所示，依次對比了云母片與玻璃片在導熱性能上的差異，云母片上燭蠟熔化呈橢圓形，玻璃片上呈圓形；方解石與玻璃磚光學性能的差異，透過方解石看到一條線的像有兩個，一束激光透過的光點有兩個，透過玻璃磚看到的像只有一個，光點也只有一個；方鉛礦與鐵塊導電性能差異，測方鉛礦兩個正交方向的電阻率，電阻率不同，鐵塊的兩個正交方向電阻率相同.通過3組實驗給學生以強烈的視覺、思維沖擊，留下不可磨滅的印象，單晶體各向異性這一結論將永遠印刻在腦海中.

圖4

2 利用虛擬仿真實驗模擬習題情境

有些習題的情境與過程用真實物理實驗呈現出來有困難，可以借助虛擬仿真實驗展開模擬，虛擬仿真實驗模擬有助于給學生呈現出清晰的物理圖景，增強直觀的感性認識.

圖5

例4.如圖5所示，在光滑水平面上放著質量分別為m和2m的A、B兩個物塊，現用外力緩慢向左推B使彈簧壓縮，此過程中推力做功W.然后撤去外力，則

(A) 從開始到A離開墻面的過程中，墻對A的沖量為0.

該題考查動量守恒定律與能量知識，運動過程復雜，絕大多數學生分析不出A,B物體的運動情境，有一定的難度.用仿真實驗室軟件就可以直觀地觀察到A,B兩物體的運動情景，如圖6所示.主要的制作步驟有：(1) 使用“直線軌道”工具搭建小球運動的水平地面和豎直墻壁，在屬性里調整水平軌道的坐標參數使得軌道水平且較長；(2) 使用“運動對象”工具產生兩個小球，在屬性中設置小球的顏色及大小以便于觀察，設置兩小球的質量分別為1 kg、2 kg以滿足m和2m的題設條件；(3) 選擇“連接彈簧”工具將兩小球拴接起來，并放置于于水平軌道上；(4) 在菜單欄“設置”中設置考慮重力作用，考慮運動對象間的碰撞；(5) 用鼠標拖動右邊的物體使彈簧處于壓縮狀態，點擊“運行”即可模擬物體的運動.運動的情景好像一只“毛毛蟲”在向前爬，這一生動的情景對學生理解問題大有裨益.

圖6

圖7

例5.如圖7所示，ABCD是兩面平行的透明玻璃磚，AB面和CD面平行，它們分別是玻璃和空氣的界面，設為界面Ⅰ和界面Ⅱ，光線從界面Ⅰ射入玻璃磚，再從界面Ⅱ射出，回到空氣中，如果改變光到達界面Ⅰ時的入射角，則

(A) 只要入射角足夠大，光線在界面Ⅰ上可能發生全反射現象.

(B) 只要入射角足夠大，光線在界面Ⅱ上可能發生全反射現象.

(C) 不管入射角多大，光線在界面Ⅰ上都不可能發生全反射現象.

(D) 不管入射角多大，光線在界面Ⅱ上都不可能發生全反射現象.

該題考查光的全反射，難度不大.但畫光路圖只能畫出有限的幾個角度，用NB虛擬實驗室可以實現多角度的旋轉，如圖8所示，非常全面地展示了不管入射角多大，光線在界面Ⅰ上都不可能發生全反射現象.

NB實驗室的操作非常簡單，選擇器材進行合理擺放，然后開始實驗即可，具體步驟有： (1) 選擇DIY實驗，進入DIY界面； (2) 選擇“光學”，可挑選光學儀器； (3) 選擇玻璃磚、激光筆、量角器，擺放到合理的位置； (4) 打開激光筆，旋轉激光筆觀察光線.

圖8

3 利用數學分析軟件定量分析

還有些物理習題，定性地分析不足以得出令人信服的結論，又由于高中學生數學基礎有限，無法從更高的高度得出定量的結果.為此，教師可以運用Matlab、幾何畫板等數學分析軟件展開定量分析，得出正確的、有說服力的結果.

圖9

例6.如圖9所示，質量相同的木塊A、B用輕質彈簧連接.靜止在光滑的水平面上，此時彈簧處于自然狀態.現用水平恒力F推A.則從力F開始作用到彈簧第一次被壓縮到最短的過程中

(A) 彈簧壓縮到最短時，兩木塊的速度相同.

(B) 彈簧壓縮到最短時，兩木塊的加速度相同.

(C) 兩木塊速度相同時，加速度aA

(D) 兩木塊加速度相同時，速度vA>vB.

在第1次壓縮到最短過程中，A做加速度減小的加速運動，B做加速度增大的加速運動，當兩物體共速時彈簧壓縮到最短，如圖10所示.對于上述分析學生提出疑問，在彈簧壓縮到最短的過程中，會不會出現彈力大于F，使得物塊A減速的情況出現？面對該問題，粗略的分析已無法給出解釋.首先想到用仿真實驗室，用箭頭的長短顯示速度大小，如圖11，直觀上好像箭頭沒有變短，即A物體的速度沒有減小.由于箭頭變化較快，看得還是不真切.用Matlab定量地分析，畫出A物體的v-t圖像，真相盡在不言中.

圖10

初始條件為x1=0，x2=l0，v1=0，v2=0.

然后編程計算，結果如圖12所示，速度是持續增加的，沒有減速的情形.可能時間2 s太短，還沒出現減速，后來增加時間長度，發現速度始終是增加的.

圖12

例7.當物體逐漸向凸透鏡移近時,物體所成的像逐漸________,像離凸透鏡的距離逐漸________(填“變大”或“變小”).

該題考查的是凸透鏡成像規律，學生可通過作圖，作出物體在2倍焦距以外、2倍焦距、1倍和2倍焦距之間、1倍焦距及1倍焦距以內的成像，得到成像的規律.

用幾何畫板作出物體及通過透鏡所成的像，如圖13所示，用鼠標拖動物體向凸透鏡運動，可清楚地觀察到物體從無窮遠到1倍焦距以前，所成像從透鏡的右邊1倍焦距偏右處逐漸遠離透鏡，且像不斷變大；物體處于一倍焦距位置時，不成像；從1倍焦距到靠近透鏡過程中所成虛像逐漸減小，且與透鏡的距離由距透鏡左邊無窮遠逐漸縮短為零.在學習透鏡規律時，不斷去拖動幾何畫板上的物體去移動，讓學生反復觀看像的變化，在大腦中建構動態成像過程.因幾何畫板的操作較為簡單，也可以讓學生在信息技術課上自己作圖，自己拖動物體觀看成像，深化對凸透鏡成像規律的理解.

圖13

綜上所述，我們可以在教學實踐中通過多種途徑開展實驗化的物理習題教學，提高學生的物理問題解決能力.當然，由于教學時間、條件以及教師精力所限，無法做到每個習題都實驗化，實際上也無此必要.在教學實踐中，我們只需要對高中物理教學中經典的、容易實現的、學生不易理解的和學生容易發生錯誤理解的問題，開展實驗化習題教學.