利用微創新實驗突破初中物理教學的重難點
——以蘇科版物理“力 彈力”教學為例

■李 翔

《義務教育物理課程標準》（2011年版）提出，物理課程是一門注重實驗的自然科學基礎課程。此階段的物理課程應該讓學生經歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題及解決問題的能力。在物理教學中，實驗扮演著重要的角色：既是教學的必須內容和必備手段，同時也是知識發生、發展的必要載體。下面筆者就以蘇科版物理“力 彈力”這節課的教學為例，談談如何利用微創新實驗去突破本節課的重難點。

重難點一：接觸的兩個物體間一定會產生彈力作用嗎？

解決這一問題，教師的通常做法是：將兩個粉筆盒靠在一起，拿走其中一個，另一個不會動，說明即使兩個物體接觸，也不一定會產生彈力作用。但是盒子與桌面之間有較大的摩擦力，用兩個小球代替盒子來做實驗效果會好很多。我們還可以設置一組對照實驗來突破這一重難點。將兩個灌滿沙子的乒乓球（灌滿沙子的目的是增大慣性，使其運動狀態不易改變）用細線懸掛在鐵架臺的橫桿上，改變兩根懸線的距離，使其等于乒乓球的直徑。輕輕撥開一個乒乓球，另一個乒乓球紋絲不動（圖1）。將懸掛點靠攏，再撥開一個乒乓球，另一個乒乓球開始擺動，如圖2所示。通過這組對照實驗，學生能直觀地認識到：產生彈力的必要條件不只是兩物體要接觸，還有兩個物體要相互擠壓，發生彈性形變。

圖1

圖2

重難點二：如何區分彈性形變與范性形變？

發生形變的物體撤去外力后能恢復原狀，這種形變叫彈性形變；發生形變的物體撤去外力后不能恢復原狀，這種形變叫范性形變。由于彈力的產生需要物體發生彈性形變，所以蘇科版初中物理教材只講解了彈性形變，而沒有涉及范性形變。但是筆者認為，彈性形變與范性形變對比著講解，能讓學生更深層次地理解“形變”這個概念，特別是理解：得出“在彈性限度內，彈簧所受外力越大，彈簧的形變量就越大”這一結論時，為什么要強調“在彈性限度內”。

我們可以讓學生取下圓珠筆里面的小彈簧，當用很小的力拉動時，彈簧能恢復原狀；當用較大的力拉動時，彈簧不能恢復原狀，如圖3和圖4所示。這樣學生很容易理解彈性形變與范性形變的區別，也能直觀地認識到外力足夠大時，彈性形變也能轉變成范性形變。

圖3

圖4

重難點三：如何體現微小或瞬間形變？

初中蘇科版物理教材設計關于彈力的實驗時，用到了幾種容易發生彈性形變的物體，如：氣球、彈簧、橡皮筋、塑料尺等。這些器材容易從身邊獲取，也能直觀地說明彈力產生的原因之一：發生彈性形變。但是對于桌子、玻璃杯等這類表面相對堅硬的物體而言，彈性形變很難體現。如何體現微小形變很考驗教師的教學智慧。

常見的一種方法是：在一個密封的玻璃瓶中插一根透明的吸管，玻璃瓶內裝滿染成紅色的水，吸管內液面高于瓶口，如圖5所示。當用力擠壓玻璃瓶的側壁時，能看到吸管中的液柱有明顯上升；當松手時，液面又下降至原來的位置。堅硬的玻璃表面發生的彈性形變雖然肉眼察覺不到，但是可以通過這種“放大法”直觀地呈現。另一種常見的方法是通過光的反射來放大微小形變。我們知道，入射光線固定，如果平面鏡轉過θ角，則法線也轉過θ，而反射光線轉過2θ。如圖6，在桌面上放置一塊較大的平面鏡，在鐵架臺上固定一塊較小的平面鏡。讓一束激光從同一方向入射，光經過兩次反射，射到木板上的一點。當桌面上放置一個重物時，發現光斑發生了較大的位移。通過該實驗很容易推理出：重物對桌面的壓力導致桌面發生了微小形變。

圖6

足球的表面雖然不如桌面堅硬，但是足球砸在地上或人的臉上時發生的形變也很難察覺，這是由于球速太快，形變的時間太短。筆者給足球拍攝一段慢動作視頻，將足球形變的速度放慢。通過慢動作視頻，我們還能直觀地看到：不但足球發生形變，人臉也發生了形變，足球和人臉的形變都產生了彈力。（圖7-圖9）同時也說明了另一個重要的力學原理：力的作用是相互的，為后續的學習埋下了伏筆。

圖7

圖8

圖9

重難點四：如何解決“誰的形變產生壓力或支持力”的問題？

我們知道：茶杯放在桌面上，如圖10所示，茶杯對桌面的壓力和桌面對茶杯的支持力都是彈力，但是要想讓學生認識到這一點本身就比較困難，而要想深入認知壓力或支持力到底是由于誰的形變產生的，更是難上加難。筆者在平時的教學過程中，嘗試用類比法來突破這一重難點，收到了不錯的效果。

圖10

我們可以用裝滿水的氣球類比茶杯，用海綿類比桌面。將裝滿水的氣球輕輕地放在海綿上，我們可以看到裝滿水的氣球變扁了，同時海綿凹陷下去，氣球和海綿都發生了形變，如圖11和圖12所示。根據彈力的定義：物體發生彈性形變后，力圖恢復其原來的形狀而對另一個物體產生的力，這個力叫作彈力。所以，變扁的氣球力圖恢復原來鼓起的形狀而產生的彈力是對海綿向下的壓力，凹陷的海綿力圖恢復原來平整的形狀而產生的彈力是對氣球向上的支持力。由此類比到茶杯和桌面：茶杯對桌面的壓力是由于茶杯發生彈性形變產生的，桌面對茶杯的支持力是由于桌面發生彈性形變產生的。

圖11

圖12

通過這種類比，學生關于彈力認知的難度會大大降低。而且，形象的實驗比單調的版畫和枯燥的講解更能激發學生學習物理的興趣。

重難點五：如何定量探究物體形變與外力的關系？

“探究物體形變與外力的關系”是本節課的重要實驗。教材通過“手壓塑料尺使其彎曲”和“手拉彈簧使其伸長”兩個簡單的實驗，讓學生直觀地體會到：使物體發生彈性形變的外力越大，物體的形變就越大。初中物理課程標準并沒有要求對此進行定量探究和得到定量結論：在彈性限度內，彈簧的伸長量（形變量）與外力成正比。但是定量的結論經常用于課后習題的解答，同時該結論也是接下來要學的彈簧測力計的工作原理，所以筆者認為在本節課有必要對“彈簧的伸長量與外力的關系”進行定量探究。如果像高中學習胡克定律那樣系統地進行實驗探究，時間不允許，學生理解起來也比較生硬。那么，如何快捷、有效地得到定量結論呢？筆者在教學過程中進行了如下嘗試。

選四個同樣的彈簧A、B、C、D依次掛在一根水平橫桿上，A彈簧不掛任何鉤碼，B、C、D三根彈簧分別掛上一個、兩個、三個鉤碼，過A彈簧的底端，水平拉一根細線，以該細線為端點分別測量B、C、D三根彈簧的伸長量，如圖13所示。筆者認為這種實驗方法與傳統的“用一根彈簧掛四次鉤碼”的實驗方法相比，主要有兩個優點：一是，用不掛鉤碼的A彈簧作為參照，能直觀地看出彈簧的原長，降低了學生的認知難度；二是，以過A彈簧底端的細線為參照，能直接測量B、C、D三根彈簧的伸長量，既節省了用總長減去原長計算伸長量所花的時間，又能對比著看出外力翻幾倍導致伸長量翻幾倍的正比關系，降低了學生的思考難度。

圖13

本文介紹的幾個微創新實驗對整節課的流暢推進作出了很大貢獻。有了這幾個實驗，教師在解決一些重難點問題時會更加游刃有余，學生對彈力的概念的形成、對彈力相關規律的掌握也會水到渠成。