提升物理实验的思考价值和趣味性的研究

张丽 张雄

摘   要：在物理课堂上学生能够积极参与、乐于探究、勇于实验，教学内容的趣味性起到了重要作用。将趣味物理问题改装为物理实验可以增强教学内容的趣味性。经过探究后，将两个关于牛顿第三定律的趣味物理问题改装为物理实验。

关键词：趣味;物理问题;物理实验;牛顿第三定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2015）9-0059-2

1    引   言

物理学的形成与发展是依赖于实验的，而各种直观、有趣、反人类直觉的实验也恰恰是物理这一门学科的独到闪光点。因此，物理实验能够让好奇心和探索精神强烈的学生情不自禁地喜欢上物理学科。

如今课堂中的物理实验，无论是演示实验还是学生探究实验，总是不太能够提起学生的兴趣。所以，如何开发物理实验并且将其趣味化是教师需要研究的重要课题。笔者通过研究认为满足以上条件的实验可以从趣味物理问题中改装而来，这样的实验无论在趣味性、思考价值和难易程度上都很适合我们的中学生。

2    风扇帆船模拟实验

2.1    趣味物理问题

有个人想乘帆船出海旅行，又怕碰上没有风的天气，帆船无法行驶，他想在船尾安装一台风扇（见图1），对着帆船吹风，这不就可以扬帆旅行了吗？你认为他的想法是否可行，简单说明原因。

2.2    物理原理

答案是他的想法不可行，无论风力有多大，帆船不会动。第一种解释方法（牛顿第三定律）：因为力的作用是相互的，风扇给帆一个力的同时帆也给风扇一个力，根据牛顿第三定律，我们知道这对作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，而这两个力最终作用在同一个物体上，即船上，所以船不会行驶。第二种解释方法（动量守恒定律）：将风扇、帆、帆船看作一个整体，在没有外力的作用下，系统动量守恒，所以船不会动。

2.3    自制风扇帆船模拟实验教具

按照趣味问题中的描述，自制风扇帆船教具未尝不可，但是重量、风力大小等合适的风扇不易直接找到，自制难度也不小。而且小船在水中的受力还存在水的阻力，上述物理原理分析其实没有考虑到阻力因素。经探究后发现可以用小车、气球等简单材料的组合来模拟风扇帆船，从而解决以上问题。自制教具构造图见图2。

所需材料：平板小车1辆、冰淇淋盒子1个、粗吸管1根、气球1个、胶水或者细线。

（1）在冰淇淋盒子的侧面剪出一个和吸管截面大小相同的圆孔。

（2）用胶水或者细线将裁剪好的冰淇淋盒子固定在小车上。

（3）把气球口套在吸管上，并用细线扎紧气球口，防止漏气。

（4）对着吸管吹气让气球膨胀，吹好气后捏住气球口，防止漏气。

（5）将吸管口插入盒子的圆孔中后，松开捏着气球口的手，让气体冲击对面的侧面。

充满气体的气球沿吸管喷出模拟风扇，被开圆孔面的对面相当于帆，小车相当于小船。

实验现象：无论气球储蓄多少气体，都不能吹动小车。

2.4    风扇帆船模拟实验在教学中的运用

从教学内容上来说，该实验既可用于牛顿第三定律，也可以用于动量守恒定律。对于教学环节来说，如果用于新课导入环节，可以成为有趣的问题情境，从而激发他们的求知欲。用于新课教学环节，它可以定性说明作用力和反作用力的大小关系和一个系统在不受外力情况下的动量变化情况。在教学小结环节追问：“怎样改装可以使帆船行驶？”起到知识应用拓展的作用。

3    浮力与其反作用力

3.1    趣味物理问题

初中物理有一道经典题目：把一杯水放在秤上，然后手指伸进水里（手指未碰到杯底，水未溢出），问秤的示数怎么变。这与另外一个谜题很类似：如果鸟在卡车内，鸟在飞翔的时候卡车的重量会比鸟静止在车厢的地板上时轻吗？结果是鸟的翅膀对卡车车厢施加的向下的力，与静止时鸟的重量相等。

3.2    物理原理

答案是“变大了”。一种解释（液体压强原理）：根据液体压强公式，因为水位升高，所以对杯底的水压增大了，从而杯底受到的压力也就增大了。另一种更好的解释（牛顿第三定律）：你的手指受到了一个竖直向上的浮力，水自然也就受到了一个竖直向下的反作用力，这个力的大小就等于手指排开水的重量。因此，你可以把手占据的位置替换成一堆水。可见，杯子里的水量相当于是凭空增加了，秤的示数自然也就增加了。

3.3    浮力与其反作用力的测量装置

所需材料：天平1台、烧杯2个、弹簧秤1个、重物1个、细线1根、水。

实验原理：（1）用天平测量物体对液体压力的方法：两杯质量相等的水放在天平上，天平平衡，见图3。在左侧水中浸入重物时，由于液体受到压力，左侧天平下降。拨动游码，使天平重新恢复平衡，此时游码的读数就是物体对液体的压力大小，见图4。

（2）弹簧秤测量物体所受浮力的方法：用弹簧秤分别测量重物静止在空气中和水中所需的拉力，两次的示数之差即为物体所受的液体浮力大小。

3.4    定量探究相互作用力大小关系

牛顿第三定律教学中需要定量研究作用力和反作用力大小的关系。目前教师使用的探究实验大概有两类，一类是通过让学生将两个弹簧秤勾在一起拉，分别探究处于静止不动和向同一方向缓慢运动两种情况下两个弹簧秤的示数;一类是通过使用计算机和力传感器探究两个物体之间的撞击力。笔者设计的实验是：

（1）探究在静止状态下相互作用力的大小关系

为了探究物体在静止状态，作用力和反作用力的大小关系，我们需要探究一个物体以不同大小的力作用在另一个物体上时，其得到的反作用力是多少。设计实验如下：通过改变物体浸入体积实现浮力大小的改变，测量出每次其反作用力的数值。

（2）探究在不同运动状态下相互作用力的大小关系。

当一个物体压向另一个物体或者一个物体将另一个物体拉动，这样的情况下，学生的直觉认为被压或被拉的那一方施加的力小于另一方。为了打破这样的直觉错误，设计了以下实验：首先将重物用细线拴住，然后将重物完全浸没于水中，调节天平，使平衡，剪断细线，观察小物体减速下落过程中天平是否依然平衡。如果依然平衡，说明运动状态不同的情况下，相互作用力依然满足相等关系。

以上两个探究实验说明了相互作用力的大小“总是”相等。

参考文献：

[1]郭卫东.低成本物理实验的巧妙设计与应用[J].物理教学探讨，2012，30（7）：1.

[2]百度文库.物理漫画──奇思妙想[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/e99e08d076eeaeaad1f33063.html.

（栏目编辑    王柏庐）