让智慧飞扬起来 让科学流行起来

董芳芳

摘 要：物理学是一门以实验为基础的学科，注重培养学生的科学素养和创新能力。为此，在课堂上教师经常会利用实验教具来辅助教学。演示实验正是为物理概念、物理规律的教学服务的，在物理教学中起着十分重要的作用。本文详细介绍了笔者在“外力作用下的振动”这节课中的有关演示实验的教学设计，挖掘生活中的物理现象，从生活走向物理，让物理回归生活。

关键词：演示实验；探究；外力作用下的振动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）3-0074-4

物理学是一门以观察和实验为基础的科学，物理学的基本定律都是在实验的基础上归纳总结出来的。物理学离不开实验，同样，物理教学也离不开实验。教学中常用的实验形式是演示实验，它是为配合教学内容由教师操作演示，学生观察其现象而创设的，深受学生欢迎。演示实验的作用不言而喻，它能启发学生思维，调动学生的积极性，化抽象为具体，化枯燥为生动，把要研究的物理现象清楚地展示在学生面前；它既能引导学生观察，又能启发学生进行思考，配合讲授使学生认识物理概念和规律，常能达到事半功倍的效果。笔者以“外力作用下的振动”实验教学为例，介绍演示实验在课堂教学中的应用体会。

1 教材分析

“外力作用下的振动”是人教版普通高中物理课程标准实验教科书《物理》选修3-4第十一章《机械振动》第五节的内容。教材首先介绍了振动物体的固有频率的概念，再从能量的角度分析阻尼振动，进而通过实验探究了受迫振动的频率与驱动力频率的关系，最后利用实验探究了受迫振动的振幅与驱动力频率的关系，从而认识了共振现象。

2 学情分析

学生通过前几节对机械振动的学习，已经知道了振幅、周期、频率等描述机械振动概念的含义，对机械振动过程中的能量转化有了初步认识。学生在生活中已经接触过关于共振的一些现象，但认识仅停留在表面，没有进行深入的分析。另外，学生在初中已经学习过频率、振幅和音调、响度之间的关系，这些都为本节课实验的开展奠定了基础。

本节课的主要任务是通过实验掌握物体在做受迫振动时其频率跟驱动力频率的关系，以及受迫振动的频率与物体固有频率接近时振动的特点。中学生有强烈的好奇心和求知欲，对亲身感受参与的活动很感兴趣，因此，在教学过程中选取一些操作简单、现象明显、直观且生动有趣的实验，能够更有效地引导学生理解阻尼振动、受迫振动及共振，从而能解释生活中常见的共振现象。

3 教学目标

3.1 知识与能力

（1）知道固有频率、阻尼振动的概念，阻尼振动图像的特点。

（2）知道什么是受迫振动，知道受迫振动的频率与驱动力频率的关系。

（3）知道什么是共振以及发生共振的条件，并能解释常见的共振现象。

3.2 过程与方法

（1）设置问题启发学生的思考，让学生掌握解决问题的思维方法。

（2）探究和驗证过程中掌握观察、总结、用数学处理物理问题的方法。

（3）经历科学规律探究的过程、认识探究的意义、尝试探究的方法、培养探究的能力。

3.3 情感、态度与价值观

（1）通过受迫振动的实验，培养学生的科学探究兴趣。

（2）通过探究实验培养合作精神和积极参与的意识。

（3）体会自然现象背后的奇妙规律，培养求知欲及学以致用的精神。

4 教学方法

主要通过激趣导学法、实验探究法、观察思考法、精讲点拨法，体现“物理来源于生活，服务于生活”的教学理念。

5 实验器材

龙洗、音叉、受迫振动演示仪、自制共振演示仪、共振音响。

6 实验教学过程

6.1 趣味实验导入

【实验演示】 故作神秘，为学生带来古代的脸盆，在盆里放少量的水，教师双手快速有节奏地摩擦龙洗的双耳，盆中的水会发生剧烈振动，甚至喷出水柱。请学生观察神奇的实验现象，而这节课的学习和探究，可以揭开这一奇妙现象的神秘面纱。

【设计目的】 通过趣味实验引入新课，激发学生的学习兴趣，活跃课堂的气氛。

6.2 积累基本概念和基础知识

（1）固有频率

【实验演示】 取出一支音叉（如图1所示），敲打使其发声。引导学生仔细听声音的音调。改变敲打力度，引导学生听音调有没有发生变化。换另一个振动频率不同的音叉，重复上述操作。

【设计目的】 通过分析可得同一个音叉两次敲打音调相同，与敲打的力度无关，而不同音叉的音调不同。从初中学习过的音调和频率的关系入手分析，即每一个音叉都有其固定的振动频率，这个频率与振幅无关，从而引出固有频率的概念。

（2）阻尼振动

【实验演示】 取出一支音叉，敲打使其发声，引导学生注意听声音的变化。学生可以听到音叉的声音响度在减小，但音调并没有变化。并提出问题：根据实验现象可以得到什么结论？你能否画出音叉振动的图像？

【设计目的】 引导学生分析，音叉音调不变，说明振动的频率不变，响度变小，说明振幅变小，根据这一特点画出音叉振动的图像，进而引出阻尼振动的概念。进一步引导学生总结出阻尼振动的特点——振幅尽管在减小，但其振动频率不变，它是由振动系统决定的，也就是刚才所学的固有频率。

（3）受迫振动

启发思考：阻尼振动最终要停下来，怎样才能产生持续的振动呢？引导学生思考回答，要产生持续的振动，需要给系统一个驱动力，为了更好地研究这个问题，借助于如图2所示的实验装置，请学生观察实验器材的结构。

【实验演示】 将受迫振动演示仪置于讲台上。以一定频率的力摇动摇杆，请学生仔细观察物块振动的频率和摇杆的频率。增大（或减小）摇杆的频率，请学生再次仔细观察。

【设计目的】 引导学生，引发层层思考，既而引导出驱动力、受迫振动的学习，并且总结出受迫振动的特点——受迫振动的频率总等于驱动力的频率，与系统的固有频率无关，这是本节课的一个重点。可以借助例题加强对受迫振动的巩固理解。

6.3 研究共振现象

启发思考：受迫振动的频率和固有频率没有关系，那受迫振动的振幅和它的固有频率有无关系呢？

【实验演示】 将如图3所示的自制共振杆演示仪置于讲台上，请学生观察实验器材。依次拨动几个杆，让学生观察不同长度的杆的振动频率，长杆频率低，短杆频率高，长度相同的杆振动频率相同。然后，用力拨动某一杆A，并提问：

A杆做自由振动，为什么其他几个杆也都振动起来？（原因是A杆通过摆动片给其余杆一个驱动力，使其他杆做受迫振动，所以这些杆的振动频率都和A杆一样。）

请学生继续观察，为什么做受迫振动，几根杆的振幅却不一样？哪些杆振幅相对大一些，哪些相对小一些？问题可能出在哪里？抓住关键，杆的固有频率不一样。

【设计目的】 通过实验分析总结，得出驱动力的频率等于系统的固有频率时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫做共振。教师和学生一起画出共振曲线，借助例题加强对共振的理解。

6.4 结合生活，升华意义

（1）解释龙洗现象

【原理】 当两手搓双耳时，相当于产生两个振源，当振源的振动频率十分接近龙洗的固有频率时，就会产生共振，使得振动最强烈，使水溅起。

（2）声音的共鸣

【原理】 两个音叉的固有频率是相同的，当一个音叉发声时会与另一个音叉产生共振现象（如图4）。

（3）风的共振：播放视频。

（4）趣味实验：共振音响（如图5）。

【原理】 音响的底座是一个振动源，将音响放在固有频率与所播放音乐频率相近的界面上时，会产生共振现象，出现“让桌子一起唱歌”的奇妙现象。

（5）历史上的共振：塔库马大桥。

【解释】 当风从桥的侧面吹过来时，会产生一个周期性的作用力，当作用力的频率与大桥本身的固有频率相等时，大桥发生共振，导致桥损坏。

6.5 课堂小结

利用一问一答的形式对所学知识進行复习小结，主要强化刚学的概念，可以通过习题来加强巩固，这样有助于学生加深对本节所学内容的理解和记忆。（下转第80页）

（上接第76页）

7 教学反思和评价

物理是一门以实验为基础的学科。笔者认为要想让学生真正地学好物理，必须让每个物理概念都能在真实的情境中理解，而不是只停留在文字表面。演示实验正是为物理概念、物理规律服务的，它是物理教学的一个重要手段，在物理教学中起着十分重要的作用。当教师把现象直观、结果精彩的物理实验在课堂上展示给学生时，学生的心灵将产生极大的震撼，从而激起学生探索物理知识的勇气和浓厚的学习兴趣。学生一旦对物理产生了兴趣，就会积极主动地学习，我们的教学就能达到事半功倍的效果。不仅课本中涉及到的实验要做，而且还要想方设法在教学过程中多设计一些演示实验。

本节课从学生的认知起点出发，针对每一个概念都设计了相应的实验进行引入，这样既可以使抽象的物理知识变得形象直观，突破教学难点，又可以培养学生的形象思维能力。课堂里的实验器材操作简单，符合学生的认知过程。为了使实验现象更突出，笔者还自制了共振杆演示器，演示效果很好，现象很明显（自制教具的过程其实也是使自己更深入理解知识的一个过程）。

另外，本节课还设计了趣味实验，如龙洗，还有最近比较流行的共振音响，这些新奇的事物能极大地调动学生的学习积极性，提高了课堂效率。最后，利用本节课所学的知识解释生活中的共振现象（如风的共鸣，洗衣机的抖动等），充分挖掘生活中的物理现象，从生活走向物理，从物理走向生活。

创新精神和动手能力是一个民族的灵魂，物理教学应该让实验引领课堂，让智慧飞扬，让科学流行起来。

参考文献：

[1]鲁世明.新课改下高中物理实验教学模式的探讨[J].物理教学探讨，2011，29（5）：23-25.

[2]杨旭峰.优化高中物理课堂实验教学的一次有益尝试——“外力作用下的振动”实验教学策略[J].物理通报， 2012（1）：81-82.

[3]李红伟.高中物理实验教学中如何培养学生兴趣的研究[D].武汉：华中师范大学硕士学位论文，2012.

（栏目编辑 邓 磊）