以創新實驗為探究載體演繹物理本源

胡 甜

(江蘇省常州高級中學 江蘇 常州 213003)

1 引言

物理學是研究物質運動規律和物質基本結構的學科．作為自然學科的帶頭學科，物理學研究大至宇宙天體、小至基本粒子等一切物質最基本的運動形式和規律，成為所有自然科學學科的研究根基．物理學的理論結構充沛地運用數學作為工作語言，以實驗作為檢驗理論的唯一準繩，是當今最精密的一門自然科學學科．高中物理教學，作為銜接以直接經驗為基礎的初中物理和以高等數學為載體的理論物理的關鍵階段，理應展示各種類型的物理實驗，具體形象地展示物理知識的形成和發展過程，強化學生的感知并及時糾正在感知中形成的錯覺，從而達到豐富學生頭腦中感性材料的儲存及發展智力和培養能力的目的，系統構建學生的自然科學知識體系．

本文以人教版《物理·選修3-4》第十一章第1節“簡諧運動”為例，談談基于傳統實驗的技術創新對學生知識體系構建的重要影響．

簡諧運動是自然界最簡單、最基本的機械振動，是物體在跟偏離平衡位置的位移大小成正比，并且總指向平衡位置的回復力作用下的振動，弄清簡諧運動的規律對進一步學習機械波、交流電、電磁波等都具有非常重要的意義．而簡諧運動的模型分析方法正是高中生的學習盲點之一，剛進入高二年級的學生思維具有單一性和定式性，他們習慣于分析恒力作用下物體的單程運動，對簡諧運動的動力學多量分析會感到有些困難．因此，教材直接從運動學角度來定義簡諧運動，把“位移與時間的關系遵從正弦函數規律的振動”稱為簡諧運動．這種改動符合高中生從運動學特征對質點的運動進行分類的認知習慣[1]，降低了教學難度．但在大多數課堂上，無論是簡單直觀的彈簧振子，還是精微深奧的等時單擺，都只能通過演示振子的運動過程幫助學生分析歸納運動的特點，不能在課堂上直接呈現簡諧運動的本質精髓——振動圖像(x-t圖)是一條正弦曲線．

2 振動圖像的描繪

下面介紹兩種對傳統實驗的改進，幫助學生在課堂上體味簡諧運動的正弦規律．

2.1 自制振動圖像描繪器

高中物理探究洛倫茲力時，教師利用電子感應圈產生的10～100 kV高壓使陰極射線管的陰極發出電子流．其實，電子感應圈是一種可調的多用途高壓電源，除了上述作用以外，還可用做低氣壓放電管、光譜管、倫琴射線管等的高壓電源，也可演示空氣中的火花放電現象、固液體介質的電擊穿現象和在空氣中取得臭氧的用途．若把感應圈的兩極分別接觸靠近且相互絕緣的兩導體就有可能發生火花放電，而如果把高一時使用過的電火花式打點計時器配件——墨粉紙盤作為導體之一的話，利用放電瞬間石墨受熱打點就可以記錄另一導體的運動軌跡．基于打點計時器的設計靈感，教師可采用相似的裝置自制彈簧振子的振動圖像描繪器．

如圖1所示，在一個具備簡易氣墊導軌裝置的水平彈簧振子中央固定一根細長銅絲，桌上放置一塊透明的有機玻璃，有機玻璃上表面有序地粘連一列墨粉紙盤，墨粉紙盤上方放置一張長條形的白紙．電子感應圈不接放電針，通電后把產生的高壓用導線加在銅絲和墨粉紙盤之間，振子左右振動時，帶動細銅絲同步振動，銅絲和墨粉紙盤通過中間的絕緣體白紙不斷火花放電，在白紙上不斷打點．若事先在白紙中央畫一條直線OO′使它平行于紙的長邊，作為圖像的橫軸，操作者只要沿OO′的方向勻速地拖動白紙，振子的x-t圖就完整地記錄下來了，如圖2所示．

圖1 自制振動圖像描繪器

圖2 振子x-t圖

這種自制振動圖像描繪器與教材上推薦的學生分組實驗——合作模擬振動曲線(圖3)類似卻更加精確和形象，能讓學生身臨其境振動圖像的產生過程，充分體驗真正彈簧振子的位移隨時間的變化情況．

圖3 教材上的合作模擬振動曲線

課堂上，結合演示實驗，可讓學生邊觀察邊思考.

問題一：白紙上OO′軸的坐標代表什么物理量？

問題二：若勻速拖動白紙的速度v已知，在OO′軸上應該怎樣標出時間的坐標刻度？

問題三：這個圖像是不是彈簧振子的運動軌跡？如果不是，那彈簧振子的軌跡是怎樣的？

問題一和問題二是關于怎樣把橫軸由水平移動位移軸轉變為時間軸的思維過渡，問題三是明確描點成圖的結果是位移時間關系而不是單純的軌跡情況．只要把這3個問題解決好，學生對彈簧振子的位移-時間圖像的來龍去脈和根源本質理解透徹，通過觀察和分析得到振子在每個時刻的位移和速度特征，就能順利構建出簡諧運動的運動學知識體系．

通過電子感應圈發生的火花放電現象實現趣味性的實驗演示，巧妙地描繪出彈簧振子的位移-時間圖像，使簡諧運動的概念變虛為實，同時也能有效地激發學生的好奇心理，喚起學生思索的欲望，培養堅持真理、勇于創新和實事求是的科學態度．

2.2 用常見軟件ppt擬合正弦曲線

利用彈簧振子頻閃照片也能得到精確的位移-時間曲線．只要選擇若干個位置，用刻度尺量出各個位置的橫縱坐標，代入根據圖像寫出的正弦函數表達式進行檢驗；也能測量小球在各個位置的橫縱坐標，把測量值輸入計算機，用軟件作出這條曲線，再用正弦函數曲線擬合．這兩種方法雖然簡單易懂，但是在課堂上操作恐怕會受時間因素的影響．因此，這里介紹一種簡潔、直觀、快捷的方法——用ppt擬合正弦曲線．

如圖4所示，事先拍攝好彈簧振子運動兩個以上周期的視頻，并且把視頻分解成幀，然后打開一張空白的ppt，把這些相隔相等時間的照片插入同一張幻燈片中，照片會按拍攝時間的先后一幀一幀地自動向右平鋪，接著全選所有照片并左對齊，便能得到鋼球在不同時刻的位置，每張照片的上下排列間距默認值相同，相當于把經過相等時間間隔的鋼球位置完整記錄下來了．

圖4 擬合正弦曲線

3 結束語

這種方法的高明之處在于巧妙運用Microsoft powerpoint中圖片插入的次序規律和對齊處理的特點，操作便捷，分秒之間彈簧振子的振動圖像一目了然，輕松引領學生進入直觀、形象、模擬的場景，使學生猶如身臨其境，探究積極性和學習興趣倍增．當然，在操作過程中也有一些注意事項：比如說拍視頻的過程中，最好采用豎直的彈簧振子，振動幅度不能太大，不然平衡位置處的速度太大，相應的那幀照片中振子就是一條模糊的線，質點模型不夠直觀，振動幅度也不能太小，不然正弦規律不明朗；視頻的取景最好讓彈簧振子的振動軌跡靠近視頻框的邊緣，使照片左對齊的時候能讓彈簧振子顯露出來，清晰精確地描繪出振動曲線．

當然，作為自然界中最簡單的變加速過程——簡諧運動，它的運動規律中展示出來的正弦美和對稱美不僅僅可以通過上述兩種方法實現，物理課堂還能變幻出更豐富更多元的創新實驗手法．物理教師要針對高中物理教材和學生現有狀況充分分析，引導學生去理解規律、探究本源，從而構建具有個性化的物理知識體系．具體措施可以考慮結合現代多媒體技術和數字化工具改進已有的傳統實驗，設置合理的教學層次，實施適當的教學方法，降低思維和理解的“臺階”，保護學生學習物理的動力和興趣，幫助學生樹立起學好物理的信心．

參 考 文 獻

1 胡紀明.“簡諧運動”教學設計.中學物理教學參考，2010,39(3)：20～22