例谈物理实验促进规律学习的策略

杨柯

摘要：物理规律的学习是物理核心素养提升的重要组成和基础，物理规律是物理学理论体系中最核心的内容，通过学生亲身感受或操作过的物理实验获得物理现象、认识物理规律的发生、发展过程，促进学生理解物理规律的背景、意义及适用条件，对物理规律的掌握尤为重要。

关键词：实验；物理规律；策略

一、物理规律的涵义和特点

物理规律反映了物理对象、现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律，反映了物质运动变化的各个因素之间的本质联系，揭示了一定条件下某些物理量之间内在的、必然的联系。

1. 物理规律的涵义

物理规律可分为物理定律、物理定理、物理原理、物理定则、物理公式等。与物理概念相比，物理规律是人们对物理客体更高层次的认识，是理性认识阶段产物。物理规律客观反映自然的性质，是物理知识机构的支柱。物理规律中最重要的是物理定律，它是人们对物理现象或物理过程进行大量观察、实验后，进行分析、比较、归纳得出的物理量间关系，提出假说，再在定律中验证，才建立起来的规律。如牛顿第二定律。而从物理规律出发，进行推理后再验证成为规律。一般叫定理或原理，如动能定理、动量定理。

2.物理规律的特点

物理规律有三个主要特点：第一，物理规律是观察、实验、物理思维和数学推理相结合的产物。如牛顿第一定律的建立，虽然以实验为基础，但这一定不能直接由实验得出，他是实验、推理和想象结合的产物。第二，物理规律反映有关物理量之间的必然联系，任何一个物理规律都是以一些概念为基础的，物理规律把物理概念之间的一定关系用语言逻辑或数学逻辑表达出来。如库仑定律，就是点电荷、力、电荷量、距离等概念组成的。它表明了研究对象（点电荷）受到的静电力与研究对象（点电荷）所带的电荷量与它们之间距离定量的因果关系。第三，物理规律有近似性和局限性。由于物理学研究的对象和过程，都是经科学抽象后得到的一定条件下能近似反映主观实际的理想模型和理想过程；又由于物理实验不可避免造成误差，因此物理规律具有近似性和局限性。

二、物理实验促进物理规律学习的策略

美国教育家杜威认为：科学教育不仅仅要让学生学习大量的知识，更重要的是学习科学研究的过程或方法。物理实验是新课改物理教学的基础，高中物理中的观察演示实验、学生操作实验让学生通过亲身经历和体验，使学生对物理事实获得具体而又明确的认识，这正是理解掌握物理规律的基础。如何通过物理实验促进学生对物理规律的学习，笔者介绍以下几种策略。

1 .实验验证的策略

实验验证的策略就是让学生通过自己做实验来验证物理规律，从而加深对物理规律的领会、理解的有效策略。许多物理规律，学生在学习高中物理前是并不知道的。将这些内容记住并不难，难的是理解它们本质含义，学生通过实验定性或定量验证物理规律，无疑会加深对规律的理解。

【案例】验证机械能守恒定律

（1）实验方案设计的讨论、器材的选择（略）

（2）实验原理：重物做自由落体的过程中，重力势能与动能之间发生了相互转化。若任意两个时刻的动能与重力势能总和相等，即EK1+EP1=EK2+EP2，则验证了物体做自由落体运动过程中机械能守恒。

（3）学生分组实验，明确操作过程注意事项，实验步骤（略）

（4）实验数据记录与处理： 设计实验数据记录表格并记录。计量重力势能的改变时，只要测量出过程越过的高度，结合当地的重力加速度即可。计量动能改变时，用打点计时器──根据打出的纸带求初、末状态的瞬时速度（依据“匀变速运动的平均速度等于中间时刻的瞬时速度”）。

（5）实验结论： 在实验误差允许的范围内，任意两个时刻的动能与重力势能总和相等，即EK1+EP1=EK2+EP2，即物体在自由落体过程中机械能守恒。

让学生从实验中去验证规律，涉及到物理核心素养中的处理信息数据，基于证据得出结论并作出解释，非常有助于学生对物理规律的学习和掌握。

2 .实验探究的策略

实验探究的策略就是预先提出某种假设，然后再通過实验验证这种假设的正确性，从而得到新的物理规律的策略。

【案例】探究功与速度变化的关系

（1）提出问题，如何测橡皮筋对小车做的功？

（2）学生讨论： 橡皮筋对小车做的功不能直接测定，可用倍数关系表示各次所做的功。（实验原理的探究）

（3）提出问题，哪些因素会影响实验的准确性？

（4）学生讨论：橡皮筋之间的差异性较大，阻力影响，速度的测定。（影响实验因素的探究）

（5）提出问题，如何处理实验数据？

（6）学生猜想，可讨论w与v，w与v，w与v2，w与v3的关系。（实验数据处理探究）

（7）学生分组探究，得出结论如下：

①w与v的关系，很难判断其图像性质；

②w与v的关系，图像类似抛物线；

③w与v2的关系，图像为直线；

④w与v3的关系，关系复杂，很难判断图像性质；

（8）实验结论， 橡皮筋对小车做的功与小车速度的二次方成正比。

在这个探究实验中，涉及到物理核心素养中提出问题，形成猜想和假设，对实验探究结果进行交流、评估、反思的能力，通过一次次假设分析和实验结果验证，不断分析、归纳，最终得出w∝v2，让学生在掌握物理规律的同时感受到了成功的喜悦。

3.实验中等效代替的策略

等效代替在物理实验中有较多的应用，如研究合力与分力的关系中，合力和分力的等效。碰撞中的动量守恒，水平位移S与初速度V0成正比关系，把测速度转换为测水平位移的等效。

【案例】探究求合力的方法endprint

（1）实验目的：探究合力和分力的关系

（2）提出问题，如何求两个力的合力？

（3）学生讨论：如果一个力产生的效果和两个力产生的效果相同，那么这个力就可以认为是二个力的合力。（等效代替策略）

（4）提出问题，如何表示分力和合力产生了相同的效果？

（5）学生讨论：可以用拉伸橡皮条的方式来展示产生相同的效果，分别用二個力和一个力把橡皮条拉伸到同一位置o，可说明此时大小、方向都达到了等效。

（6）实验方案设计的讨论、器材的选择、实验注意事项（略）

（7）实验操作：分别用一把弹簧秤将橡皮条结点拉伸到同一点0，记下力F的方向和大小、力F1、F2的方向和大小，作出力F、F1、F2的的图示，然后寻找F与F1、F2的关系。

（8）实验结论：在误差允许的范围内，合力和分力遵循平行四边形定则。

又如，在研究物体平抛运动竖直方向的运动中，利用两相同小球在同一高度同时水平抛出小球和自由下落小球，发现2球同时落地。得出平抛运动物体在竖直方向上的运动等效于自由落体运动。学生通过实验掌握等效代替策略并内化生成，迁移到高中物理其它知识规律中，会对学生学习物理知识带来非常大的帮助。

4.实验中控制变量的策略

在中学物理实验中，应用控制变量的策略很多，如平行板电容器的电容、气态方程的提出、部分电路欧姆定律的探究等。如果学生将这种实验中控制变量的策略应用好，那么学生在学习其他物理规律往往会起到事半功倍的作用。

【案例】单摆振动周期跟那些因素有关的探究

（1）提出问题：决定单摆振动周期的因素有那些？

（2）学生猜想：单摆振动周期可能与振幅、摆球质量、摆长、重力加速度有关？

（3）提出问题：如何设计实验得出单摆振动周期与周期的关系？

如何设计实验得出单摆振动周期与摆球质量的关系？

如何设计实验得出单摆振动周期与摆长的关系？

如何设计实验得出单摆振动周期与重力加速度的关系？

（4）学生思考：可采用控制变量的策略

（5）学生分组实验：

①对比实验： A组：当摆长为1m时，使振幅A1=8cm，测出单摆的周期Ta

B组：当摆长为1m时，使振幅A2=4cm，测出单摆的周期Tb

②对比实验：C组：当摆长为1m时，使摆球质量为m，测出单摆的周期Tc

D组：当摆长为1m时，用橡皮泥均匀粘在摆球周围，测出单摆的周期Td

③对比实验：E组：当摆长为1m时，使摆球质量为m，测出单摆的周期Te

F组：当摆长为0.64m时，使摆球质量为m，测出单摆的周期Tf

④对比实验：G组：当摆长为1m时，摆球用铁球质量为m，测出单摆的周期Tg

H组：在G组单摆摆球的平衡位置下方放一磁铁（相当于重力加速度增大），测出单摆的周期Th

各组通过实验结果分析比较后，总结得到：单摆的振动周期与单摆的振幅、摆球的质量无关，与单摆的摆长、重力加速度有关。

通过实验发现单摆周期跟摆长、重力加速度有关，跟摆球质量及振幅无关，这让学生感到非常惊奇。实验的同时也检验了原先头脑中的想法正确与否，这本身也有探究、验证和判决的思想。

5 .实验明确物理规律（现象）适用条件的策略

物理规律反映了物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化的普遍现象，它必然有 一定的适用条件和适用范围。因此，要让学生明确掌握所使用物理规律的的适用条件、物理现象产生条件和适用范围，这是很重要的。而这些条件、范围往往能在实验探究中发现。【案例】探究感应电流产生的条件

（1）回忆旧知，演示闭合电路部分导体切割磁感线产生电流（略）

（2）探究实验1，如图1所示

图1

① 器材介绍，②方案设计（略），③学生探究，操作记录。如下表1，

实验操作表针摆动方向

开关闭合瞬间

开关断开瞬间

开关闭合时，滑动变阻器不动

开关闭合时，迅速滑动变阻器滑片

（3）提出问题：实验1并没有部分导体切割磁感线，由表针的偏转可知，产生了感应电流，是前面的知识有误，还是另有玄机？（激发探究欲望，引发思维认知冲突）

（4）探究实验2，如图2所示

图2

①器材介绍，②方案设计（略），③学生探究，操作记录。如下表2，

磁铁的动作表针摆动方向磁铁的动作表针摆动方向

N极插入线圈S极插入线圈

N极停在线圈中S极停在线圈中

N极从线圈中抽出S极从线圈中抽出

（5）小组讨论、归纳

（6）成果交流（教师指导，多媒体演示动画：条形磁铁插入线圈时磁通量的变化）

（7）师生共同分析实验1和实验2概况得出结论：穿过闭合电路磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流产生。

科学家为了更好的展现他们的发现，常常将问题简单化，用来排除一切可能影响实验效果的干扰，然后根据已经被理想化的物理模型来证实他们的假象，通过实验让学生明白这一点非常重要。

三、结语

上述是笔者在教学中形成的一些粗浅的认识和不成熟的做法，物理规律学习策略很多，我们正确合理地选择培养学生物理规律学习策略，让学生在有限的时间内掌握和应用物理规律，并生成让其终身受用的高效的学习策略，进而学会学习，奠定持续发展的基础。

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（作者单位：浙江省绍兴市新昌县鼓山中学 312500）endprint