例谈实验题对“学力”的提升

苏安良 李 琳

（陕西商洛市商州区中学 陕西 商洛 726000）

“学力”.本文着重分析实验题设置中的“思维要素”

和“知识梯度”，以及解答实验题对“提升学力”的启示.

1 明确实验题的“思维要素”是提升“学力”的关键

实验题是实验操作过程的情景再现，是各种知识要素的精缩，是对实验能力和学习程度的检阅，是对思维能力和探究能力及迁移能力的考查.因此，做实验题时，思维要素（即各种能力和与实验有关的各种理论，包括实验背景及实验注意事项）必须周全，切忌支离破碎.

【例1】某实验小组利用图1所示装置研究杠杆的机械效率，实验的主要步骤如下：

第1步：用轻绳悬挂杠杆一端的O点作为支点，在A点用轻绳悬挂总重为G的钩码，在B点用轻绳竖直悬挂一个弹簧测力计，使杠杆保持水平.

第2步：竖直向上拉动弹簧测力计缓慢匀速上升（保持O点位置不变），在此过程中弹簧测力计的读数为F，利用刻度尺分别测出A，B两点上升的高度为h1，h2.

回答下列问题：

（1）杠杆机械效率的表达式为η＝______（用已知或测量的物理量符号表示）；

（2）本次实验中，若提升的钩码重一定，则影响杠杆机械效率的主要因素是______；

（3）若只将钩码的悬挂点由A移至C，O和B位置不变，仍将钩码提升相同的高度，则杠杆的机械效率将______（选填“变大”“变小”或“不变”）.

图1

“思维要素”释义：第（1）问考查的是机械效率的含义，只要能正确理解有用功、总功及机械效率的概念，就能写出正确答案，即

第（2）问考查的是影响机械效率大小的因素.一般来说由公式可知，机械的自重G机越小机械效率越大，或提升的物体越重机械效率越大.而本问的前提是“提升的钩码重一定”，因此学生只要掌握上述公式的推导和含义很容易想到影响杠杆机械效率的主要因素是杠杆的自重.

第（3）问是对学生思维能力和分析能力的进一步升华，将探究过程引向深入：杠杆的机械效率与钩码的悬挂点有无关系？分析这个问题，学生必须在大脑中构建几何图像，如果提升钩码的高度不变，将钩码的悬挂点向左移，则杠杆的重心上升的高度必将减小，在做相同有用功的前提下，额外功减小了，导致总功减小，杠杆的机械效率将变大.

还可以探究杠杆的机械效率与弹簧测力计的悬挂点有无关系.

图2

如图2所示，设杠杆的重心在C点，当C点上升的高度为h0时，A，B两点上升的高度为h1，h2，F，G机，G的力臂分别为l1，l2，l3，由杠杆平衡条件得

由几何关系得

所以有

将以上关系代入式（1）中得

由此式可知，杠杆机械效率的大小与杠杆自重G机，悬挂的重物G及重物悬挂的位置有关，而与重物上升的高度及弹簧测力计的悬挂位置无关.

“提升学力”评价：本题考点来自课本，但设计新颖，并且问题设置螺旋升华.对学生的能力提出了较高的要求，有效地考查了学生的分析、推理、归纳、迁移等综合能力，同时也突出了对数学知识的灵活应用能力.那些在学习中靠死记硬背得到的知识，根本不可能对上题应对自如.对于那些学有余力的学生还可以改变题目再探究，如“若弹簧测力计始终垂直杠杆向上拉物体，以上各问结果又如何？”“如果杠杆的质量分布不均匀，将杠杆的两端调换一下，杠杆的机械效率将怎样变化，此时影响杠杆机械效率的因素有哪些？”这样深入探究，思维不断辐射，加强了针对性，减少了学习精力的耗散，不仅可以提升学生的思维能力，也可以使知识不断合理升华，提升“学力”，达到融会贯通之目的，在应用中才能左右逢源、游刃有余.

2 理解实验题的“知识梯度”是提升“学力”的根本

物理实验题往往在设置上是一个循序渐进的过程，是按照层级推进的一种系统性.设计阶梯型的螺旋上升的知识体系，随着学生能力的提高逐步加强掌握的高度和难度.只有这样，学生的思维方法才能不断增多，能力才会不断提高，才会从“要我学”向“我要学”转化.

【例2】用细线拴住一端粗，一端细的实心胡萝卜并悬挂起来，静止后胡萝卜的轴线水平，如图3所示.在拴线处沿竖直方向将胡萝卜切成A，B两段.A，B哪段重些呢？甲、乙、丙三个同学提出各自的猜想：

生甲：A较重；生乙：B较重；生丙：A，B一样重.

图3

（1）请设计一个简易实验，判断A，B的轻重.

所用器材：______________；

操作方法：_____________；

现象及结论：_______________.

（2）为进一步研究类似A，B轻重的问题，某同学在一根有等间距刻度的均匀杠杆两侧挂上每个质量都相等的钩码进行实验.杠杆静止于水平状态的三次实验情境如图4所示.

1）根据图4的实验，可以判断______同学的猜想是正确的（填“甲”“乙”或“丙”）.

2）根据图4的实验，该同学得出结论：只要满足“阻力×阻力作用点到支点的距离＝动力×动力作用点到支点的距离”，杠杆就能平衡.

①这个结论是否正确？

②用图5所示的装置，怎样通过实验来说明该结论是否正确.

图4

“知识梯度”释义：

第①问根据所给物理情境定性判断谁重，判断的方法很多，学生答题的空间较大，思维处于开放阶段.学生根据自己设计的实验方案寻找器材写出操作方法，并预测现象及结论，例如将A，B放在调好的天平两端，下沉的那端重等.

第②问的三幅图实质是探究杠杆平衡条件时具有代表性的实验，也是学生必做的实验.但这个实验的背景是未挂物体时必须调整杠杆在水平位置平衡，其目的是便于读力臂和忽略杠杆自身重对实验的影响.可见实验结论和实验过程还是有一定差距的，如何跨越这个差距，试题只设计一幅图（图5），且未做启示，要求学生针对这幅图的情境集中思维，说明验证过程.这一问对能力的要求很高，那些在学习中未透彻理解知识的学生是很难答出的.事实上这幅图是将一个力的大小设定，让弹簧测力计从不同方向作用于同一点，以实际数据定量验证“阻力×阻力作用点到支点的距离＝动力×动力作用点到支点的距离”这个结论是错误的.本题层层递进，步步升华，从定性到定量，从思维发散到思维集中，对培养学生的综合能力，提升学生学习兴趣是显而易见的.

“提升学力”启示：通过对上述实验题的分析可知，要正确解答实验题，提升“学力”，必须注意以下几点.

（1）掌握实验流程，重视基本概念

图5

实验的一般流程是，确定实验目的，思考实验方法，选择实验器材，组装与操作，数据处理，得出结论，分析讨论，实验评价.通过例2可以看出，做实验题时需明确以下两点：一是抓住概念，如力臂的概念（从支点到力的作用线的垂直距离）.二是理解规律，如杠杆的本质是什么？“杠杆平衡”的含义是什么？杠杆的平衡条件是什么？将杠杆调到水平位置平衡为什么可以忽略杠杆自身重？

（2）分析问题错因，正确迁移知识

解题时若能明确例2中为什么会得出“阻力×阻力作用点到支点的距离＝动力×动力作用点到支点的距离”的结论，就会完全掌握解题的要领.由于不理解“点到线与点到点的距离有什么差别”，或更本质地说不能联系“力的作用点与力的作用方向不同都可以改变力的作用效果”对研究杠杆平衡条件的内在影响，就可能认为“阻力×阻力作用点到支点的距离＝动力×动力作用点到支点的距离”这个观点正确.有人认为这是学生数学能力差引起的，显然是片面的.可见正确迁移物理知识和数学知识是判断“是非”的基础.

（3）多维设计操作，培养创新思维

杨振宁说“加强发散思维的训练，是培养学生创造性学习的‘重点工程’.”如例2第①问中操作方案有，用天平测质量大小，用弹簧测力计测量重力，用排水法测量体积，放在轻质杠杆两端判断，压强测量法（用切开的面压海绵，观察陷入的深度）及利用漂浮判断（放在漂浮在水面的盒子中，观察盒子浸入水中的深度）等等.

（4）体验思维方法，学会自主探究

学习物理不仅是掌握物理知识，更重要的是学会物理学的思想和方法，在掌握物理知识的基础上，尝试主动发现问题，自主探究问题，归纳分析结果，进而产生内心体验，提升学习兴趣，提高观察事物和分析事物的实践能力及独立解决问题能力.例2中，从问题情境出发，从特殊到一般，以及多种操作方法的获得都充分说明多次实验（测量）才能说明一种物理现象具有某种规律，只有这样才能避免以偏概全的简陋方法，从而消除学习中的障碍.例2中，学生通过实验不仅明确了力的三要素中任何一个要素变化都会影响力的作用效果，还明白了在一定条件下杠杆能在非水平状态平衡，从而实实在在地掌握了杠杆平衡条件.同时控制变量法、多次测量法、分析归纳法、演绎法等物理思维方法也得到了训练.