一个典型惯性演示实验的探讨研究——为此实验“平反”

张 栋 蒋丽辉 张丽萍

(河北师范大学物理科学与信息工程学院,河北石家庄 050016)

物理学是一门以实验为基础的科学.无论在物理科学研究还是物理教学当中,实验都是至关重要的一环.现今在新课程改革的大背景下,重视实验已成为许多一线教师的共识,因此对实验的讨论也就不绝于耳.这些讨论加深了教师对物理实验中存在的种种疑问的理解,有效地指导着教师的教学实践.本文将对一个典型的惯性演示实验中存在的疑问进行初步探讨,希望能对中学物理教师有所裨益.

1 一个典型惯性演示实验的基本描述及探讨的必要性

如图1所示:在桌面上竖直放置一个小筒,在小筒上放一块硬纸板,再将一个小球放在硬纸板上并对准小筒口(小筒口的直径略大于小球的直径),使小球相对硬纸板静止.用一个弹片猛力快速击打硬纸板后,硬纸板被弹出,而小球由于惯性掉进下面的筒里.以此现象来演示小球具有惯性.

可以说,每一个中学物理教师在讲惯性时,都会想到这个演示实验,这也是称之“典型”的原因.而恰恰对这么典型的实验有人提出了疑问,并且有的教师面对此质疑不知道何去何从,在这样的状况下对此实验的探讨就十分必要了.

图1

2 对上述演示实验提出的质疑

《中学物理疑难实验专题研究》中对本演示实验是这样分析的:为简化起见,不考虑小球的滚动,对小球 A和硬纸板B进行受力分析.设小球和硬纸板之间的动摩擦因数为μ,则有 B对A的摩擦力 fAB=μ mAg.由牛顿第二定律 fAB=mAaA.易得小球的加速度 aA=μ g.

小球能否落入筒中必须满足的一个条件是硬纸板的加速度至少要大于小球的加速度.满足这个条件就要求:(1)小球的加速度小些,但 fAB要大于B对A施加的最大静摩擦力,即B与A发生相对位移;(2)硬纸板的加速度大些,可以减小硬纸板的质量,也可以加大打击力.然而即使小球与硬纸板发生了相对滑动,aA也不能太大,否则位移过大,小球仍有可能掉出筒外.至此可见决定小球是否落入筒中的因素是 aA,而 aA是由μ决定的,也就是说最后起关键作用的是与小球惯性无关的量μ!

《中学物理疑难实验专题研究》提出质疑:“若 A、B之间足够光滑的话,钢球才有可能掉进筒中,否则不然,而不管钢球的质量如何.这就值得思考了,因为我们知道质量是物体惯性大小的量度,一个演示惯性的实验,能否得到所期望的现象,竟与物体的惯性大小无关,而是由与惯性无关的摩擦来决定,这难道说得过去吗?这使我们不得不考虑它作为惯性演示实验的合适性问题.”[1]

3 对此实验深入探讨——为实验“平反”

这个疑问一经提出,有的物理教师看了会在脑子里画个大大的问号,有的干脆不假思索的欣然接受了,否定了这个演示实验,以后也不使用了.后一种做法是我们不提倡的,应该继续探讨研究.笔者在对此疑问思考后,从以下4方面来说明此演示实验的合适性.

3.1 分析实验目的——回答为什么可以与小球的质量大小无关

演示小球有无惯性,应与小球有无质量有关;演示小球惯性的大小,应与小球的质量大小有关.那么此惯性演示实验的目的是什么?目的是演示小球具有惯性(注意不是演示小球惯性的大小).所以,此演示实验现象与小球的质量大小本来就不需要有必然的联系,两者无关不足为奇.《中学物理疑难实验专题研究》提出的质疑以此演示实验现象与小球的质量大小无关来否定此演示式样的适用性是不合适的.

3.2 分析实验前提——回答为什么由与惯性无关的因素决定

小球必须是有惯性的,这样我们才可能将其演示出来,这是实验的前提.此演示实验现象一定是与小球的惯性有关,但能不能演示出惯性现象,则是操作技能和知识经验的事了.小球的惯性大小一定时,能否得到预期的现象,就得看其他与惯性无关的因素对演示实验的影响是否超过了惯性,若超过则演示失败,若没超过则成功.而物理实验本质就是根据实验目的将要研究的对象作为主要因素,要求控制无关因素的.“控制”就是我们面对复杂情况时所采取的措施.教师课堂上做此演示实验时,对除惯性以外的因素,包括硬纸板的动摩擦因数已经做了严格控制,只有这样才能保证演示出小球的惯性现象.所以这个演示实验能否得到预期的现象,原本就是由对与惯性无关的诸多因素的控制来决定,即由与惯性无关的因素决定,这是说得过去的.

3.3 对此实验深入分析——回答什么是关键因素

成功的演示是由多方面因素决定的.首要的条件是掌握实验原理,它是设计和改进实验的根据.只有掌握了原理,才能准确地抓住关键,成功地进行演示.[2]

在对此实验深入分析时,简便起见,不考虑小球的滚动,并认为从弹片弹到硬纸板开始到小球与硬纸板分开之间的时间间隔t内,弹片一直以恒力F作用于硬纸板.对时间t内的物理过程进行研究,设μ为小球与硬纸片的动摩擦因数,mB为硬纸板的质量,l为小球与硬纸板相对位移,sA为小球的位移,sB为硬纸板的位移.

以小球为研究对象,有

以硬纸板为研究对象,由动量定理得Ft=mBvt-0.则

即

将 sA、sB代入sB=sA+l,得

所以

sA趋于零时,小球才能落入小桶.所以由上式可知影响此演示实验成败的因素有 F、μ、l、mB,其中任何一个控制不好都会导致小球落到筒外.而《中学物理疑难实验专题研究》中只提出了一个因素μ,并认为本惯性演示实验能否得到所期望的现象是由与惯性无关的摩擦来决定.以此来质疑此演示实验的合适性是仓促的,考虑是不全面的.

3.4 结合演示实验的定义分析此实验的优点

所谓演示实验,就是以教师为主要的操作者的表演示范实验,它的目的主要是要把研究的物理现象展示在学生的眼前,引导学生观察思考,配合讲授或穿插学生讨论等方式使学生认识物理概念和规律,或者通过演示的引导和示范作用,为学生独立训练创造条件.[3]

依据定义,从以下3方面分析此演示实验的优点以说明其合适性.

(1)演示实验目的是把物理现象展示给学生,这就要求演示实验要简易方便,现象要明显.此演示实验在仪器结构、操作和由演示现象导出结论的解说或推理都很简单.小球掉进筒里,就说明小球具有惯性,现象明显.为了使演示的现象清楚,此实验的仪器尺寸还可以做得足够大,这样全班的学生都能看到.

(2)演示实验要有助于引入课题,激发学生的求知欲望.因此演示实验更突出“表演示范”,更注重实验的表现形式.在精确程度上,演示实验的要求不是很高.在不影响科学性的前提下,判断演示实验的优劣,关键在于其表现形式的新颖程度.在实际的教学中,还可以采用其他更吸引学生的表现形式,如:用鸡蛋代替小球,并用透明的玻璃筒,教师介绍这种装置在不用手直接接触鸡蛋的情况下,能使鸡蛋磕碎在小筒里.

(3)演示实验要有利于学生认识物理概念和规律.不仅要让学生看到一些静态的现象,还要让他们观察到现象的变化和发展过程.演示时最好尽可能给学生以多种感官刺激.如:教师可以一手拿小筒,一手准备弹击硬纸板,请一位学生判断鸡蛋的落点,并要求他去接下落的鸡蛋.此演示实验在视觉、听觉、触觉等方面刺激学生,有利于他们头脑中建立惯性现象的图式,加强对惯性的理解.相信学生在观看了这个演示实验后,不仅学到了惯性的知识,而且对物理产生浓厚的兴趣.这对以后物理概念和规律的教学有持续的推动作用.

4 结论

综上所述,这个实验作为一个典型的惯性演示实验是合适的,还应继续为教学服务.本文呈现了一个由无疑到质疑,由质疑到解疑的过程启示物理教师们:(1)质疑的精神是值得肯定的,但是研究的过程中一定要注意不要被问题的表面现象所迷惑,要看到问题的本质;(2)研究问题时,一定要认清问题的前提,尤其是对基本概念的理解,往往是正确理解问题的关键;(3)在为此演示实验“平反”的同时,更应深入思考是否可以对此演示实验加以改进,使它可以演示出惯性的大小;(4)作为物理教师要善于发现问题,善于深入思考研究问题,尤其是在教育研究正在向纵深发展的今天,物理教师更应该积极行动起来思考和探讨教学实践中的问题,提高自身素质配合新课程改革的顺利进行.

1 罗星凯.中学物理疑难实验专题研究.桂林:广西师范大学出版社,1998.

2 许国梁.中学物理教学法.北京:高等教育出版社,1981.

3 阎金铎,田世昆.中学物理教学概论.北京:高等教育出版社,2003.