回归科学探究活动的本真——“机械能守恒定律”的探究性教学案例分析

韩建光

(常熟市教育局教科室,江苏 常熟 215500)

自物理新课程实施以来,“科学探究”引起了广大物理教学工作者的极大关注.一线教师都在积极探索基于“科学探究”理念的教学活动方式,在全国性的物理教学创新大赛、物理教学的年会等活动中也都有专题性的研讨.

笔者在教学实践活动中认识到,物理实验是最重要、最受欢迎、最具实效性的“科学探究”活动载体.鉴于实验室配备的实验器材从“科学探究”活动的视角考量往往不尽人意,这就需要教师们积极改装、创新实验仪器设备.笔者在10多年的自制实验仪器活动中,本着物理原理体现的充分、操作方式直观便捷、现象突出易于观察、制作过程简单易行的原则,自制的实验仪器在开展“科学探究”活动中发挥了积极、有效的作用.

下面以高中物理必修2教材第5章第8节“机械能守恒定律”的教学为例,谈谈自己粗浅的认识.

1 教学设计的整体思路

如图1所示.

图1

2 主要活动流程介绍

整节课分为如下3个基本板块.

2.1 定性分析板块

这一板块的作用有两个,一是激发学生参与学习活动的兴趣,其做法是创设了一个“巨型单摆”实验:在教室的天花板上悬挂了一个用大铁块制作的巨型单摆,教师将单摆的大铁块从自己的鼻尖处释放,在等待大铁块摆回来的过程中,学生发出了一片惊叹声！在教师提供的针对情景分析的问题中,学生们进入了思维启动的阶段.二是在继续演示“水平方向上的弹簧振子”实验的基础上,定性分析两个情景中重力势能、弹性势能、动能间的相互转化关系.

2.2 定量分析板块

这一板块是整个探究活动的核心,也是本次学习活动成败的关键.首先进行的是以自由落体运动为载体的位移和速度这两个物理量的数据采集,在以往教学中通常都是用打点计时器来完成此项工作,由于打点计时器存在系统误差,加上数据测量以及计算的繁杂,使得定量研究的结果往往不尽人意,笔者巧妙地设计制作了一套实验装置——粉末计时器,实现了对实验数据的精确采集,为下一步的定量分析打下了基础,很好地解决了这一问题.

电路构成如图2所示:取长度0.5m、宽0.1m左右的薄锌片一块(其他金属材料的薄片也可),低压交流电源(2～4V),硫磺粉末若干(其他能很好附着在金属薄片上的粉末也可).

图2

计时方法:(1)当锌片接地时,手在锌片上抹动没有条纹出现.(2)当锌片接地线断开时,手在锌片上抹动时,原来均匀撒在锌片表面的硫磺粉末呈条纹状间隔分布.

手的抹动是匀速运动时,条纹等间距分布;手的抹动是变速运动时,条纹呈不等间距分布.但无论条纹是否等间距分布,由于交变电流的周期是固定不变的,始终为0.02s,故相邻条纹间的时间间隔为0.02s.当有N条条纹时,相应的总计时量为t＝(N－1)×0.02s.

这种计时方法打破了中学物理实验中长期以来选择打点计时器计时的传统思维模式,构思奇特,可以说是计时方法上的一个大突破.其主要的优点是:(1)精确度高,结构简单,操作方便,直观性强.(2)计时部分与被研究的对象是分离的,克服了打点计时器打点计时时振针与纸带间的相互作用.(3)通过接地线的通断,可方便地实现物理过程的起终点与计时起终点的同步运作.

本次探究实验的原理如图3所示:当手指按住开关S时小球被电磁铁吸附,而S′处于断开状态.当手指离开开关S后将在金属板上滑动,在手指离开S时S将自动断开,小球自由下落.当小球落到开关S′时,依靠下落的冲击力将其闭合,粉末计时器的接地线接通,金属板上不再有条纹.

图3

图4

图6

实际的实验装置如图4所示,计时锌片上硫磺粉末在计时前后的对比如图5(计时前)、图6(计时后)所示.在教师每操作完成一次实验后,请学生数出条纹数目,并根据上述计算公式算出对应的下落时间.

教学实践表明,实验探究的结果是非常理想的.

这一板块的第二步是以自由落体运动为例进行理论推导,要求学生阅读教材第22页倒数第2行至第23页,从而推导出机械能守恒定律.

2.3 规律应用板块

问题:小球沿光滑斜轨道由静止开始滑下,并进入在竖直平面内的离心轨道运动,如图7所示.为保持小球能够通过离心轨道最高点而不落下,则小球至少应从多高处开始滑下？已知离心圆轨道半径为R,不计各处的摩擦.

图7

图8

图9

图10

本问题的一个关键是要确认机械能守恒定律中的初末状态,笔者利用数码相机的连拍功能,将整个物理过程定格住几个特殊的状态,如图8～图10所示,目的在于确认小球在最高点的速度是不为零的.

3 教学反思

(1)高中阶段物理学科探究性教学活动的开展,往往是针对比较复杂的问题情境,要在定量的水平上实现对规律的探索就更不易实现.本次教学公开活动采取了一种将真实实验作为探究过程的载体,其中自制的教具构思独特,为定量探究打下了坚实的基础.在高中物理教材中有许多这样类似的问题,如单摆周期公式的定量探究.笔者曾经在网络环境下,运用真实的单摆测数据、运用几何画板处理数据得出了单摆的周期公式,限于篇幅,不再详述.

(2)本次实验探究活动中熏陶了物理学中一种基本的科学方法:“演示实验——采集数据——定量分析——得出结论”,而理论的推导进一步将实验结论推广到普适性的一般规律上.

(3)一般来讲数码相机主要有以下3种功能:拍摄静态图片、拍摄等时间间隔的连幅图片和拍摄视频图像.这3项功能运用得合理,都可以为物理探究活动提供有效的支撑.