讓物理實驗貫穿習題教學

蔣天林

(江蘇省六合高級中學,江蘇 南京 211500)

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學.在物理習題教學過程中,可以引導學生動手,做一些操作簡易、現象明顯的小實驗,將物理過程可視化,從而改變傳統的物理習題教學方式,激發學生學習物理的興趣;通過實驗引導學生觀察、分析實驗現象,分析物體的受力、運動情況,將復雜、抽象的思維過程轉化為簡單、直觀的思維過程.將物理情境由過程轉化為結果、抽象轉化為具體、隱性轉化為顯性、靜態轉化為動態、空間轉化為平面等.使學生加深對相關物理現象、物理過程、物理規律的理解,培養學生用實驗探究問題的意識,讓習題教學充滿實驗味.通過多年的教學實踐,形成了如圖1所示的習題教學流程.

圖1 習題教學流程圖

1 將過程轉化為結果

例1.如圖2所示,A、B是兩只相同的齒輪,A被固定不動,若B齒輪繞A齒輪轉動半周,到達圖中的C的位置,則B齒輪上所標的豎直向上的箭頭所指的方向是

圖2 示意圖

(A) 豎直向上. (B) 豎直向下.

(C) 水平向左. (D) 水平向右.

實驗:用兩個一元硬幣或兩個膠帶圓盤,也可用紙剪做兩個“紙圓”,在其中的一個膠帶圓盤或“紙圓”上畫上箭頭,用膠帶紙把一個一元硬幣、無箭頭的膠帶圓盤或“紙圓”固定在桌上,將另一個一元硬幣、有箭頭的膠帶圓盤或“紙圓”按題意繞它轉半周.

結論:豎直向上[選項(A)正確].

解析:學生通過思考后發現,當B繞著固定的A轉動時,B是以A的圓心為圓心做圓周運動.設齒輪齒徑為r,則B繞A轉動的半徑為2r,B繞A齒輪運動半周通過的路程為2πr,齒輪B繞自己的圓心轉動的圓心角為θ=2πr/r=2π,即齒輪B繞自己的圓心轉了一圈,所以箭頭指向為豎直向上.

點評:利用一元硬幣、膠帶圓盤或“紙圓”轉動的實驗演示,先將計算的過程直接轉化為最后的結果,再引導學生運用相關的物理知識解釋原因.

2 將抽象轉化為具體

例2.如圖3所示,在xOy平面內存在方向垂直xOy平面向外、磁感應強度為B的勻強磁場.原點O處的粒子源連續不斷地發射速度大小為v0、方向與x軸正方向為θ角的粒子,同時粒子源沿速度v0方向緩慢移動,粒子的質量為m、電荷量為-q(q>0),不計粒子重力和粒子間的相互作用.求粒子打在x軸上的坐標范圍.

圖3 示意圖

實驗:引導學生用紙做一個“紙圓”,然后將該圓沿粒子運動的速度方向平移,如圖4所示.

圖4 示意圖

結論:過坐標原點的“紙圓”與x軸的交點為粒子打在x軸上最近點;當“紙圓”運動到圖4中A位置時,“紙圓”與x軸的交點為粒子打在x軸上最遠點.

點評:利用“紙圓”平移的實驗演示,將抽象的動態過程可視化,便于學生理解較為抽象、復雜的動態過程.

3 將隱性轉化為顯性

例3.如圖5所示,兩個可視為點電荷的帶正電小球A和B,A球系在一根不可伸長的絕緣細線一端,繞過定滑輪,在細繩的另一端施加拉力F,B球固定在絕緣座上,位于定滑輪的正下方.現緩慢拉動細繩,使A球緩慢移動到定滑輪處,此過程中,B球始終靜止,忽略定滑輪大小和摩擦,下列判斷正確的是

圖5 示意圖

(A) B球受到的庫侖力先增大后減小.

(B) 拉力F一直增大.

(C) 地面對絕緣座的支持力一直減少.

(D) A球的電勢能先不變后減少.

實驗:實驗裝置如圖6所示,兩球帶電后拉動細線,當用鋁箔紙包裹的泡沫塑料小球靜止后,再緩慢拉動小球到定滑輪處,觀察它的運動軌跡.為便于觀察,以固定在絕緣座上球的球心為圓心,小球靜止的位置到固定在絕緣座上球的球心距離為半徑,用粉筆在木板上畫一圓弧.

圖6 實驗裝置

結論:A球先繞B球緩慢轉到定滑輪的正下方,再從定滑輪正下方緩慢向上移動到定滑輪.

圖7 受力分析圖

點評:利用實驗得到A球先繞B球緩慢轉到定滑輪的正下方,再從定滑輪正下方緩慢向上移動到定滑輪處.從而將隱性狀態轉化為顯性過程,引導學生思考,激發學生思維.

4 將靜態轉化為動態

圖8 示意圖

實驗:(1) 如圖9所示,一個同學在桌面上以較小的速度勻速拖動白紙,另一同學將沾有印泥的小鋼球從A點以較大的初速度在白紙上與白紙同向運動,直到相對靜止;(2) 將另一沾有印泥的小鋼球靜放在緊靠B的C處,勻速拖動白紙,直到相對靜止.

圖9 示意圖

結論:劃痕是由物體與傳送帶相對運動形成的.兩次相對運動方向相反,劃痕長度等于較長的相對位移大小.

圖10 受力分析圖

圖11 受力分析圖

點評:通過實驗讓學生觀察到小鋼球和白紙的運動,將靜態的“傳送帶”轉化為動態的“傳送帶”,激發學生學習的興趣,積極思考劃痕產生的原因,加深對物體與傳送帶相對運動的理解.

5 將空間轉化為平面

例5.如圖12為“貓捉老鼠”的動畫游戲:在 一個邊長為a的正方體木箱的頂角A處,老鼠從貓的爪中逃出而奔向木箱的另一頂角G處的鼠洞.若老鼠的奔跑速率恒為v,且只能沿著木箱的棱運動,而貓可以沿木箱的表面運動,則貓應沿怎樣的路線勻速率奔跑,方能以最小的速率恰在G處再次捉住老鼠,其最小速率u為多少?

圖12 貓捉老鼠示意圖

實驗:引導學生用紙剪拼一個立方體“紙箱”進行模擬貓奔跑實驗.

結論:將用紙剪拼成的立方體“紙箱”中貓奔跑路線涉及到的兩個相互垂直的平面展開到同一平面內,如圖13所示.當A、P、G3點共線時是貓奔跑的最短路線.

圖13 展開平面圖

點評:通過“紙箱”的展開,將不在同一平面內運動的空間問題轉化為同一平面內運動的平面問題,大大降低問題的思維難度,從而將空間問題平面化了.