对比性实验在高中物理教学中的应用

2018-06-29蒋晓霞

名师在线 2018年9期

周维，蒋晓霞

（江苏省宜兴市和桥高级中学，江苏宜兴 214211）

引言

所谓对比性实验，就是以正确的实验操作和观察为基础，以出现的实验现象为依据，对实验过程中通过人为控制相关的物理变化所产生的两个相似现象之间的差异进行对比和剖析的一种实验教学过程。在物理教学中，对比性实验可以有效地帮助学生形成正确的物理概念，掌握重点，突破难点，化解疑点。教师如能针对所需解决的问题设计出一系列有对比价值的实验，就能帮助学生有效地揭示物理现象中隐含的本质和规律，从而提高学生的认知水平。本文将根据多年从教经验，谈一谈对比性实验在高中物理教学中的应用。

一、利用对比性实验的奇趣性激发学生的学习兴趣

高中许多物理概念和规律，都比较抽象，而设计一些有趣的对比性实验，可以寓深刻的道理于浅显的物理现象之中，使问题变得有趣生动。

案例1：在《牛顿第一定律》的教学中，为了说明物体质量越大，惯性越大，同样的力产生的加速度越小。我们设计了以下对比性实验：取一个乒乓球，放在水平桌面上，让一位同学来吹，乒乓球很容易被吹动了；接着，我换了一个铅球放在桌上，再让这位同学来吹……这时这位同学窘迫的神态引来了同学们“得意”的笑声。同时，“一动一静”的实验对比也使学生体会到了质量对加速度所带来的影响。

案例2：《自感现象》中电流变化的规律也是比较抽象难懂的内容。这时，我们也可以用图3和图4的装置，通过对比观察激发学生的学习兴趣。图1是通电自感装置，接通电源的短时间内可观察到小灯泡A2先达到正常亮度，而A1则明显亮得慢些。图2是断电自感装置, 当接通电源电流达到稳定状态以后, 突然断开电源, 可观察到小灯泡突然闪亮而后再熄灭。这“一快一慢”“一暗一亮”的对比会让学生感到非常惊奇，对学习其中的道理也会充满了期待。

图1

图2

二、利用对比性实验的直观性把抽象的物理规律具体化、形象化

许多物理规律是抽象深奥的，需要学生具有较强的抽象思维能力和逻辑推理能力才能正确理解。作为教师，帮助学生建构系统的物理认知体系是一项很重要的使命[1]。而对比性实验的设计和利用，可以更好地为我们助一臂之力。

案例3：《平抛运动》的研究。作为曲线运动，平抛运动常常是学生难以理解的复杂运动，为此，我们用竖直方向的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动和平抛运动进行对比实验，可以很好地帮助学生化曲为直，化繁为简地把平抛运动看成以上两个方向的分运动。

对比1：竖直方向：让一个小钢球在另一个小钢球做平抛运动离开水平槽的同时作自由落体运动，观察两个钢球各自的运动现象，总结它们的规律（图3）。实验表明：两个小钢球几乎同时落地，说明平抛运动在竖直方向上具有相同的运动规律：自由落体运动。

对比2：水平方向：将两个小钢球在不同高度处但离水平槽相同高度的位置静止释放，离开水平槽后，一个钢球做平抛运动，另一个在较光滑的水平面上做匀速直线运动，观察两个钢球各自的运动现象，总结它们的规律（图4）。实验表明：两个小钢球能在水平面上相碰，说明它们在水平方向上具有相同的运动规律：匀速直线运动。

图3

图4

以上对比实验可以使学生认识到平抛运动在竖直方向和水平方向分别做自由落体运动和匀速直线运动。

三、利用对比性实验中物理量的递变性增强学生的科学探究意识

许多物理实验的数据在变化过程中会受到条件的限制而影响实验结果，这些物理量的递变可以清晰地反映相关物理规律。

例如，“小灯泡的伏安特性”实验中，电流I刚开始是线性的，随电压U的增大，灯泡亮度的变化，图像就变得非线性了。从图像的变化可以得知，小灯泡的电阻随温度的升高不断增大。再如，探究“小车加速度与力的关系”时，用悬挂钩码的重力表示小车所受绳子的拉力，实验会发现随着钩码重力的增加，加速度与拉力不再呈现线性关系，而是一条曲线。这种图像的变化可以促使学生对实验原理的进一步思索，从而体会到小车拉力与钩码重力的关系。总之，这些实验数据的递变性对比，将会促使学生进一步探究实验原理与实际测量量之间的关系，从而发现内在的物理规律和物理本质。

四、利用对比性实验的可控性纠正学生头脑中的错误概念

学生在学习物理知识前头脑中会有一些与之相关的已有认识，称为前概念，其中有些前概念对学习是不利的，称之为错误概念。教师如能发现学生的错误概念并加以纠正，对学生新知识的建构是有积极意义的[2]。如在学习《自由落体运动》之前，对于重物和轻物谁落得快的认识，可能就存在错误的认识。很多同学可能会认为重物落得快，轻物落得慢，因为平时的生活经验就会让人产生这样的认识。为此，教师可以设计以下对比性实验：

第一组：一块橡皮和一张纸片同时同高度静止下落。（橡皮下落快，印证了学生头脑中的观念：橡皮重，所以下落得快。）第二组：两张相同纸片，其中一张揉成团同时同高度静止下落。（纸团下落快，与原来的观念产生了认知冲突：既然重物落得快，那么两个质量相等的物体就应该落得一样快，而事实为什么不一样？）第三组：一个装有“降落伞”（一个塑料袋）的娃娃（代表重物）和一个纸团（代表轻物）同时同高度静止下落。（纸团落得快，产生了更大的头脑风暴：质量小的物体照样可以落得快，看来物体下落快慢与质量无关，而与空气阻力有关！）第四组：牛顿管实验。第一次是在有空气阻力的条件下，羽毛和钱币同时从管顶自由下落，发现钱币下落得快；第二次把牛顿管中的空气抽掉，再次让羽毛和钱币同时从管顶自由下落，发现羽毛和钱币同时下落。通过以上各个对比性实验，可以使学生对物体下落快慢的认识从原来的错误观点逐渐地转变为科学的认识：物体下落快慢与质量无关，而与有无空气阻力有关。

五、利用不同对比性实验方案的差异性提高学生的思辨能力和创新意识

有的学习内容可以通过设计不同的实验方案来完成，通过不同方案的对比，可以培养学生从不同角度认识问题，在思辨的基础上不断改革完善实验方案的科研精神和创新意识[3]。例如，关于动摩擦因数μ的测定。在完成必修1和必修2后，可以让学生自主设计不同的实验方案，再通过交流分享后，选出最佳设计方案。下面是学生设计的一些方案。

方案一：物体放在地面上，用弹簧秤拉物体，使物体做匀速直线运动，读出此时弹簧秤的示数（F），同时测出物体质量（m），利用来测定。这个方案的优点是方法简单，运算简便；缺点是操作困难，很难控制物体做匀速直线运动。方案二：把物体放在木板上，还是用弹簧秤拉住物体，把木板往外抽，抽的过程中，读出弹簧秤的示数，还是利用前面的方法测出μ。这个方案的优点是在操作上克服了方案一的缺点，只要做到把木板从物体下面抽出就可以了，但是要求木板比较长，而且弹簧示数的稳定性不够。方案三：利用“探究加速度和力、质量的关系”实验装置，让小车在长木板上做匀加速直线运动，测出不同的拉力下小车的加速度，画出a-F图像，根据图像与横轴的交点测出μ。此方案运用了动力学原理，小车加速度a和拉力F之间的关系为优点是原理清晰，操作简便；缺点是拉力F的测定和数据的处理。方案四：将一斜面和水平面无缝连接，将待测表面平铺于斜面和水平面上，物体从斜面顶端静止释放下滑至水平面上某处。测出斜面高度（h）和物体的水平位移(x)，该方案是运用动能定理的方法，操作简便，数据测量容易，运算简单；缺点是要求斜面和水平面用同一种材料，且斜面和水平面之间连接良好，无能量损失。