高中物理探究性實驗

鄧果

摘要：中學(xué)物理新課程標(biāo)準(zhǔn)要求利用實驗教學(xué)提高學(xué)生的實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、獨立思考能力及探索精神。文章以此為目的，以實驗復(fù)習(xí)——驗證機(jī)械能守恒定律一課為例，采用探究式教學(xué)方法，以問題為主線，以科學(xué)探究為載體，以發(fā)現(xiàn)問題為動力，引導(dǎo)學(xué)生親自體驗驗證機(jī)械能守恒定律科學(xué)探究過程，領(lǐng)悟科學(xué)探究方法，提升起物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);科學(xué)探究;實驗

一、教材內(nèi)容分析

機(jī)械能守恒定律是高中物理課程中體現(xiàn)守恒思想的第一個定律，在整個高中物理學(xué)習(xí)中起著承前啟后的作用。“驗證機(jī)械能守恒定律這節(jié)課的教學(xué)對學(xué)生推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新、動手能力和分析能力都有革命性的提高。因此該課堂不僅要傳授物理規(guī)律，更重要的是通過探究式教學(xué)設(shè)計，使學(xué)生親歷規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)悟科學(xué)探究的過程，提高物理核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)過程

（一）復(fù)習(xí)回顧，知識梳理，構(gòu)建認(rèn)知體系

師生共同回顧驗證機(jī)械能守恒定律實驗的原理和注意事項，提出一下4個問題。

問題1：判斷機(jī)械能守恒的條件？

問題2：實驗驗證中物體質(zhì)量m是否需測量？

問題3：紙帶上某點速度如何測量？

問題4：有效的紙帶得如何選擇？

設(shè)計說明：通過復(fù)習(xí)判斷機(jī)械能守恒的條件、驗證守恒的實驗原理和注意事項，為本節(jié)課探究驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒提供知識儲備，也使學(xué)生進(jìn)一步理解功是能量轉(zhuǎn)換的量度，為學(xué)生探究系統(tǒng)機(jī)械能守恒做好鋪墊。教師介紹驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒的實驗裝置。

問題5：該實驗器材用于驗證機(jī)械能守恒，研究對象是誰？

問題6：從何判斷？

問題7：到底是驗證誰機(jī)械能守恒？

設(shè)計說明：學(xué)生直觀反應(yīng)是要驗證物塊機(jī)械能守恒，這是受利用物體自由落體運動來驗證機(jī)械能守恒這套裝置的影響。但當(dāng)教師拋出下一個問題，他們就很快能意識到，物塊除了重力以外還有繩子拉力在做功，所以單個物塊機(jī)械能并不守恒。馬上會有個別學(xué)生會提出小車和物塊作為系統(tǒng)機(jī)械能守恒。此時就需要教師引導(dǎo)學(xué)生思考，如何去驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒？提示學(xué)生類比學(xué)習(xí)驗證單個物體機(jī)械能守恒的方法。有學(xué)生便提出，我們可以通過數(shù)據(jù)分析物塊減少的重力勢能，與物塊和小車動能的增加總量在誤差允許的范圍內(nèi)是否相等，來進(jìn)行驗證系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

（二）動手實驗，分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題

學(xué)生以每六個人為一小組分別進(jìn)行實驗，每個小組的學(xué)生根據(jù)自己的能力和特點參與實驗過程，分工協(xié)作完成實驗過程。教師現(xiàn)場指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生合理開展實驗。幫助有困難的學(xué)生進(jìn)行實驗操作。以下是某組學(xué)生獲得的實驗數(shù)據(jù)：物塊質(zhì)量m=0.05kg，小車質(zhì)量M=0.502kg，x1=0.0158m，X2=0.0228m，t=0.04s，h=0.118m。經(jīng)數(shù)據(jù)處理測得小物塊重力勢能的減少量為0059J，系統(tǒng)的動能增加量為0.0466J。這一數(shù)據(jù)表明小物塊重力勢能的減少量比系統(tǒng)的動能增加量大了許多，并能說明系統(tǒng)機(jī)械能守恒。這一實驗結(jié)果對學(xué)生預(yù)想結(jié)果具有-定的沖擊性，能夠撼動”學(xué)生原有的認(rèn)知體系，學(xué)生對于找出問題所在充滿了好奇，這也是科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)的最好契機(jī)。

（三）提出問題，形成猜想，修正實驗

從該組學(xué)生數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的機(jī)械能并不守恒，其他七個小組也紛紛表示自己獲得數(shù)據(jù)也是小物塊重力勢能的減少量比系統(tǒng)的動能增加量大了許多。教師引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想會不會本身這個實驗系統(tǒng)機(jī)械能就不守恒？通過以下三個問題引導(dǎo)學(xué)生從“功是能量轉(zhuǎn)換的量度”這一角度，去發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)除了重力做功，其實還有小車所受的摩擦力做功。要使系統(tǒng)機(jī)械能守恒需要先消除摩擦力做功的影響。

問題8：為什么實驗測得系統(tǒng)機(jī)械能不守恒？

問題9：實驗操作出問題還是實驗數(shù)據(jù)處理出問題？

問題10：如何進(jìn)行修正實驗？

設(shè)計說明：該環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計有別于傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，并還是在學(xué)生實驗操作前和實驗過程中不停地反復(fù)強(qiáng)調(diào)平衡摩擦力的重要性。通過學(xué)生親歷實驗失敗來激勵學(xué)生找出影響實驗的關(guān)鍵步驟--平衡摩擦力。然后在講授平衡摩擦力的方法，讓學(xué)生重新進(jìn)行實驗，體驗實驗成功的喜悅。

問題11：如何平衡摩擦阻力的影響？

問題12：如何判定已經(jīng)平衡好摩擦力？

學(xué)生第一反應(yīng)是把木板換成更光滑的玻璃，來減小摩擦力，但是還是存在摩擦力的影響，無法完全消除，這世間沒有完全光滑的物品。教師引導(dǎo)若物塊可以在不受繩子拉力作用下做勻速直線運動，即為達(dá)到了平衡摩擦阻力的效果。學(xué)生能考慮到將木板適當(dāng)傾斜，重力沿斜面向下的平衡摩擦阻力的作用。若輕推物塊，發(fā)現(xiàn)其紙帶上打出的點跡均勻，說明已經(jīng)平衡好摩擦力。八個小組重新實驗，平衡好摩擦力，再重新實驗過程，獲取數(shù)據(jù)如下：物塊質(zhì)量m=005kg，小車質(zhì)量M=0502kg，x1=0.0179m，X2=0.0236m，t=0.04s，h=00807m。經(jīng)數(shù)據(jù)處理則的小物塊重力勢能的減少為0.04035J，系統(tǒng)的動能增加量為00406J。實驗結(jié)果：在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)是在學(xué)生親歷未平衡摩擦力導(dǎo)致實驗失敗后修正實驗過程，重新實驗過程，進(jìn)而獲得成功。學(xué)生親身經(jīng)歷挫折后又自行找出問題、解決問題，最終感受到成功的喜悅，體驗感極強(qiáng)。

（四）改進(jìn)實驗，培養(yǎng)創(chuàng)新意識

1.教師以思考題的形式引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計改進(jìn)實驗

思考：是否有其他測量物體速度的測量方法？

在物理必修1第一章運動的描述中的科學(xué)漫步曾介紹過氣墊導(dǎo)軌和光電門及數(shù)字計數(shù)器。在教師的適當(dāng)引導(dǎo)下，學(xué)生能想到此實驗可以通過氣墊導(dǎo)軌上完成，并調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的高低來精準(zhǔn)的平衡摩擦力的

影響。用光電門代替打點計時器測量瞬時速度，v=d/t其中d為遮光板的寬度，為遮光板過光電門的擋光時間。

2.教師協(xié)助學(xué)生共同完成改進(jìn)后的創(chuàng)新實驗

（1）用天平分別測量桶和滑塊的質(zhì)量。

（2）將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，使滑塊能在氣墊導(dǎo)軌上勻速運動，按05米間距安裝兩個光電門。

（3）啟動氣源，釋放滑塊讓其自由滑動，關(guān)閉氣源。

（4）采集實驗數(shù)據(jù)，輸入Excel處理數(shù)據(jù)，如下圖所示。

（5）分析實驗結(jié)果：桶與砝碼的重力勢能減少量為0.1306J，小車與車上砝碼的動能增加量為0.1302J，在誤差允許的范圍內(nèi)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒。

（五）拓展探究，課堂延伸

1.教師提出探究課題是否可以利用DIS實驗來驗證物體下落過程中的機(jī)械能守恒問題。

2.學(xué)生經(jīng)過思考討論設(shè)計出在鐵架臺上豎直方向裝上兩個光電門，讓一物體自由下落，來驗證豎直方向上的機(jī)械能守恒。

3.教師引導(dǎo)學(xué)生找出設(shè)計方案的缺陷

①演示實驗過程，若用普通重物下落則直徑過大，用光電門測得的平均速度不能作為瞬時速度處理。

②普通物體下落過程容易碰到DIS裝置，產(chǎn)生誤差。

③教師用一枚硬幣代替重物，嘗試完成整個實驗過程，并簡單處理實驗數(shù)據(jù)。

④數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)用硬幣進(jìn)行實驗也是不成功。教師引導(dǎo)學(xué)生找出實驗失敗的原因：為保證實驗的成功性，是需要硬幣在下落過程中嚴(yán)格保持水平不發(fā)生轉(zhuǎn)動，經(jīng)過學(xué)生的多次試驗發(fā)現(xiàn)由于空氣阻力的影響是無法做到這一要求。進(jìn)而影響到光電門對硬幣的遮光距離d的測量，使得對瞬時速度的測量引發(fā)產(chǎn)生較大的影響。

4.留作課后思考該方案要如何繼續(xù)改進(jìn)，才能提升成功率

結(jié)語：在新課程背景下，讓物理教學(xué)能夠有效地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升，是每一位教師為之努力的方向。物理教學(xué)中，教師若能將物理核心素養(yǎng)教育落到實處，便能為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下堅實的基礎(chǔ)，也為我國科技發(fā)展輸送優(yōu)秀的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉思佚，牟佳佳.淺談高中物理課堂中的參與式教學(xué)[J].第二課堂（D），2021（09）：45-46.