充分挖掘素材 促进深度学习——“魔罐”实验引出的思考

倪红飞

(江苏省太仓市教师发展中心，江苏 太仓 215400)

在机械能守恒定律的教学中,很多教师用“魔罐”实验作为课题的引入．

将一个普通的罐子放在桌面上,向前一推,会向前滚动,越滚越慢,最后停下．

然后,再用“魔罐”重复这个实验:将“魔罐” 放在桌面上,用力向前一推,它滚动的速度逐渐变小,当它停止前进后,竟反向运动,神奇地回到出发点．更神奇的是,如果让“魔罐”从斜面上滚下,当它停止前进后,竟反向沿斜面滚回出发点．

为什么会出现这样的情况呢?“魔罐”实验引发了学生的猜想,揭开了学习机械能守恒定律的序幕．

“魔罐”实验设计的成功主要抓住了两个关键: (1) 满足了学生的好奇心,激起学习兴趣;(2) 对 “魔罐”内部结构的猜想,引发了学生的探究．作为作为机械能转化和守恒的课堂引入,确实起到了很好的效果．

“魔罐”的制作原理如下.

如图1,“魔罐”是由带盖的圆柱形铁皮罐,橡皮筋、大螺母、细线、铁钉、锤子组合而成． 在罐底和盖子上各穿两个小孔,将橡皮筋穿过小孔,让橡皮筋在罐中交叉,在交叉点上用线系上一个大螺母(或其他重物)．盖上盖子,把橡皮筋两头打上结,魔罐就制成了．

图1

罐子在向前滚动中,利用螺母重量,使橡皮筋绞紧,在这个过程中,罐子的动能转化为橡皮筋的弹性势能．当它停止前进,在返回过程中,橡皮筋的弹性势能又转化为罐子的动能,罐子会自动地反向运动,回到出发点．如果橡皮筋的弹性势能足够大,桌面又比较光滑,罐子返回过程甚至会远远地超过出发点．橡皮筋的弹性势能与罐子的动能不断互相转化,罐子会来回作往复滚动,直到能量消耗完毕．

其实,“魔罐”实验是一个设计思想非常巧妙的装置．由于涉及的问题具有综合性、真实性、复杂性,要彻底搞清问题的本质,对学生的科学思维能力提出了极高的要求．学生要具备构建模型的意识和能力,解决问题的过程中遇到障碍时,能够及时改变研究的策略,对于研究结果的分析,要具有批判性思维的意识,要具有从不同角度思考问题的能力,最终发现问题背后本质性的东西．

对这样一个实验,如何进一步挖掘它的素材,让学生真正“卷入到问题学习”中来,在问题的研究中,促进学生的深度思考,从而更好地体现它的教学价值,引起了笔者的思考．经过仔细分析研究,笔者设计了关于“魔罐实验”的深度学习的课题研究,从3个方面进行了了挖掘．

1 制作两种“魔罐”,完善探究过程

“魔罐”实验的演示,采用了“黑箱”模型的思想,通过“魔罐”内部机械能间转化产生了神奇的效果．“黑箱”模型的设计,利用物理现象与日常经验的认知冲突,激发了学生探究的热情与兴趣．“激趣”的实验功能在此发挥了作用．

在揭秘的过程中,更多的是从“魔罐”内部的结构,从理论上进行分析了“魔罐”内部的能量转化的过程.虽然也可行，如果能直接观察到运动过程中“魔罐”内部的能量转化,作为实验教学本身则更有说服力．

在教学过程中,建议设计两种“魔罐”．用封闭金属罐制成的“黑箱”“魔罐”用于演示实验,通过“魔罐”内部机械能间转化产生的神奇效果,来激发学生探究的热情;用透明的塑料瓶制成的“白箱”模型的“魔罐” 用于观察机械能间转化的具体过程,从而检验原来的猜想．

“白箱”模型的“魔罐”的制作十分方便,可以在课堂上让各个小组自制一个透明的“魔罐”．“白箱”模型的“魔罐” 制作如图2.

图2

(1) 先准备一个直径为8～10 cm的、带扣盖的塑料瓶．在瓶底圆周的一条直径上,离圆心为2 cm处各打一个小孔,则两个孔之间的距离为4 cm．瓶盖上也打同样的两个孔．

(2) 用锥子将两根橡皮筋的两个头分别穿入瓶底的两个小孔．

(3) 将已在瓶内的两根橡皮筋的另两个头再穿过瓶盖的两个孔,并使橡皮筋在瓶内成交叉状．但此时不要将瓶盖外的橡皮筋的两个头系紧．

(4) 用一段细金属丝的一端紧紧系住一个50 g的重物,重物的形状为U型,如图所示．用金属丝的另一端将重物系在橡皮筋的中间,尽可能系紧些．

(5) 扣上瓶盖,拉直橡皮筋,使重物位于瓶子的中部;再将瓶子外边的橡皮筋的头系紧．注意系重物的金属丝不要过长,以免重物碰撞瓶壁．

(6) 一手使瓶子保持水平,另一手转动瓶子,大约转40周．

“魔罐” 制作完毕后,让各小组重复了演示实验的过程.

先将瓶子放在水平桌面上并向前推一下,瓶子将自动滚回来;再试着将瓶子推下一个较为平缓的斜面,看看它是否可以自动滚上斜面．

并观察前后两个过程,“魔罐”内机械能的转化．

这样,把原来的演示过程与小组活动结合起来,使探究过程更加丰满,教学的过程真正变为发现问题——提出猜想——研究问题——实验验证的完整过程．

2 进行对比实验,探究问题本质

解释“魔罐”反向运动的奥秘时,大多数教师仅从能量角度进行分析,对于这样的解释,有些学生是不满意的,仍心存疑问．从牛顿运动定律分析,力是改变物体运动状态的原因,罐子内部的内力是无法改变物体的运动状态的,使罐子返回的外力是谁提供的?其产生的机理是什么?

有些教师可能还认为,既然从能量角度已经合理地说明了问题,这样的讨论就多此一举了．但进一步研究发现,这个问题确实击中了要害．因为橡皮筋中的弹力,对“魔罐”整体而言是内力,内力无法改变“魔罐”整体运动状态．那么,问题的关键在哪里呢?

引导学生从“魔罐”力学结构的分析,去寻找问题的答案．

图3

当“魔罐”向前滚动时,由于U型重物的重量,使橡皮筋绞紧,在这个过程中,罐子的动能转化为橡皮筋的弹性势能．但是,如果U型重物始终不偏离平衡位置,橡皮筋的形变的弹力无法提供罐子返回所需要的动力．只有当U型重物偏离平衡位置时,U型重物会产生一力矩,如图3,根据U型重物与橡皮筋整体的力矩平衡,此时U型重物重力产生的逆时针方向的力矩与罐子对橡皮筋作用的顺时针方向的力矩相等．

图4

根据作用反作用原理,此时橡皮筋对罐子作用了一个逆时针方向的力矩,如图4,根据罐子的力矩平衡,地面会对罐子产生一个向左的摩擦力,这个摩擦力就是使罐子返回的动力．

为了进一步说明问题,让学生设计一个对比实验．

图5

如图5,有一小木板代替U型重物．先用小木板使橡皮筋绞紧,再用细线将一小木板一端与罐子内壁相连．表面是看,与如图4结构类似,当罐子放在水平面上时,却纹丝不动．因为此时橡皮筋对罐子作用了一个逆时针方向的力矩与拉力对罐子作用了一个顺时针方向的力矩完全抵消,无法获得向前的动力．

所以,从力学结构的分析,重物偏离平衡位置时其重力产生的力矩,是“魔罐”获得向前动力的根本原因．

3 改进实验设计,增加实验效果

图6

在“魔罐”实验的演示中,让罐子在平面上返回,实验比较容易成功,让“魔罐”沿斜面滚回的实验,不容易成功．所以,实验设计者强调“让它从不太陡的斜面上滚下”．

那么,让“魔罐”沿斜面滚回的关键在哪里呢?如何改进“魔罐”设计,增加实验的成功率?

经过研究,让学生找到了使“魔罐”沿斜面滚回的关键性设计．

将原来用金属丝直接系在橡皮筋的中间的重物系在杆子一端,组成一杠杆．随着橡皮筋不断绞紧小木板端点不断提高,使重物产生的力矩不断增加,当物体G2的重心在斜面与罐子切点的左侧,物体重力G2产生的逆时针方向的力矩大于罐子重力G1产生的顺时针方向的力矩时,“魔罐”有沿斜面向上滚动的趋势,两者力矩差越大,向上滚动的趋势越明显,斜面对罐子作用的向上的摩擦力也就越大,当罐子速度为0后,“魔罐”自动返回．杠杆的设计,增加了G2到转动轴的距离,使G2的重心能够到达斜面与罐子切点的左侧,成为设计成功的关键性因素．当然,罐子选择越轻,重物选择越重,实验越容易成功．

“魔罐”实验的研究,引出的思考很有代表性．在平时的教学中,有许多隐藏在习以为常背后的问题,仔细研究,会发现许多有价值的东西,而这些东西恰恰是学科核心素养的价值所在．