例谈实验在物理习题教学中的应用

(江苏省天一中学，江苏 无锡 214101)

阅卷时，老师经常会有这样的抱怨：“和这道相似的题目前前后后讲了好多遍了，怎么一考还是错呢？”很多情况下，教师讲评习题时学生往往处于被动接受的地位，学生对老师的讲解貌似理解和赞同，觉得应该是这样的，但对问题缺乏更深的理解，没有融会贯通，从而使得教学效果大打折扣，等到间隔时间稍长或题目情境变化时，学生又会重复犯错。若将实验和物理习题教学有机结合，相互促进、补充，在实验情境下解决抽象的物理习题，能有效帮助学生理解物理现象和物理概念，掌握解题方法，形成良好的思维习惯，提升解题能力。

1 通过对比类验证实验，巩固和深化易被错用的物理概念和规律

图1

例1(2011年浙江高考卷)：如图1所示，铁芯上绕有n1=800匝和n2=200匝的两个线圈，输入端接入电源u=51sin 314tV，则交流电压表的读数可能是( )。

A.2.0V

B. 9.0V

C. 12.7V

D. 144.0V

实验验证：用可拆变式压器分别测量变压器在铁芯闭合和不闭合时的输出电压，进行对比实验，当铁芯没有闭合时，电压表示数比铁芯形成闭合回路时的测量值要小很多，所以应选A。用直观的实验来验证非闭合铁芯上的漏磁现象，利用视觉冲击使学生产生认知冲突，激发学生探知的欲望，避免空泛的说教，改善了教学效果，并有效地体现了物理学科的科学严谨性。

图2

例2：一理想变压器处于垂直纸面向里的匀强磁场中，初级、次级线圈的匝数之比为n1∶n2=4∶1，电路结构如图2所示，当导体棒l向左做匀速运动时，A1表的读数为12mA，则A2表的示数应为( )。

A． 3mA B． 0

C． 48mA D． 与负载R的值有关

错因分析：与例1不同的是，由于此题注明是理想变压器，不少学生便放松警惕，直接套用理想变压器的变流公式求解，错选C。

实验验证：为提高实验的可视性和可操作性，可选用学生电源代替导体棒电源，用现象更直观明显的小灯泡替代外电阻。做对比实验时，选择学生电源的“交流”档，由于实验室用变压器导线电阻较为明显，会对小灯泡的发光现象造成较大的影响，为获得明显的实验现象，变压器可接为升压变压器，并逐渐增加学生电源的输出电压，使小灯泡接近正常发光；实验时应保持输出电压不变，将电源旋至“稳压”档，结果显示：小灯泡不发光，电流表指针不发生偏转。实验应注意：学生电源的“直流”档的输出电流仅仅是方向不变而大小会改变，仍能产生电磁感应现象，所以必须接“稳压”档，在实验中，为防止损坏学生电源和变压器，演示后应及时断开电源。

对比实验为学生提供了更为直观的感官体验，利用实验中产生的截然不同的现象，使学生产生认知冲突，进而帮助学生激发探究兴趣、促进深度思考，使学生对理想变压器的结构、工作原理和理想化条件等知识有更为全面透彻的理解，正确应用公式解决物理问题。另一方面，从记忆效果的角度来讲，利用实验的感官刺激带来的形象记忆和深度理解，相比机械的死记硬背，教学效果要好很多。

2 通过情境类演示实验，发掘和利用易被忽视的隐含条件

图3

例3：如图3所示，地面固定两根竖直杆，一根轻系在杆上的A、B两点，一件衣服通过光滑钩子挂在绳上，不计所有摩擦，衣服稳定在绳上的O点，若A端绳子位置保持不变，且不改变绳子的总长的条件下，将B端沿杆向下平移一小段距离，当衣服再次稳定后，与原来相比，绳中张力的变化情况是( )。

A． 变大 B． 变小

C． 不变 D． 条件不足，无法判断

错因分析：本题的难点是解题时学生感到无法获得清晰的物理图景，缺乏足够的条件支撑，找不到问题的突破口，导致学生只能乱选。

实验演示：当系统处于稳定时，在OA后放一把直尺，一边恰好与OA线对齐；当B点下移时，引导学生观察OA段绳与直尺边的变化关系，从而发现当B端下移时，OA段绳子与直尺边缘始终重合，即绳OA与竖直方向的夹角是定值，由共点力平衡方程可知，绳中的张力是不变的，应选C。

图4

例4：如图4所示，在触发器的正下方，向上抛出一小球，初速度为v，小球恰好能击中触发器。若小球分别沿A、B、C、D四个不同的光滑轨道仍以速率v抛出小球．则小球可能能够击中触发器的是( )。

图5

实验演示：为增强实验的可操作性，控制小球的初速度，原题可等效设计为如图5所示的实验，只需验证小球释放后是否能够回到原释放高度。将小球分别从c、b、a位置释放，不计摩擦阻力的情况下，c位置释放的小球几乎能到达等高处，b位置释放的小球在到达圆周轨道的最高点前早已脱离圆轨道，a位置释放的小球能顺利通过圆周轨道的最高点，并从右边轨道飞出后做斜抛运动，到达的最大高度明显低于原释放位置a。在实验中，应重点引导学生观察小球通过圆轨最高点和斜抛最高点时的运动情况，并分析动能和重力势能的转化关系，得到答案。

演示实验的作用是将日常生活难以观察到的物理现象，或者被视为理所当然而未引起注意的物理现象凸显出来。[1]演示实验可以帮助学生从实验现象或实验结果中反思原因，暴露物理现象中的隐含条件，为解决问题铺设“台阶”，降低思维难度，使问题更容易解决。在此过程中，演示实验还能培养学生的观察能力和信息捕获能力，提高其科学探究能力。

3 通过体验类探究实验，重现和细化易被遗漏的物理过程

图6

错因分析：解答该题时很多学生得到的错误答案是16cm，原因是忽视了粒子的受力方向和运动方向的关系，把两轨迹圆与板相切时的情况理解为板上被粒子打中的最长区域长度P1P2(如图7)。

图7

实验探究：此实验可用铁环、纸板和硬币等圆形实物进行模拟探究，使之绕某一固定点旋转，观察圆周与ab板的交点的变化情况。此外，还可用圆尺画图探究，实验的关键是控制好距离l与半径R的比例关系，关注粒子的出射方向和受力方向，粒子运动时形成的是“顺时圆”还是“逆时圆”，明确打至板ab前的是哪段弧，并在弧上标明箭头，寻找到两个临界情况即可(如图8)。

图8

例6(2013年江苏高考卷)：如图9所示，砝码的质量为m1，纸板的质量为m2，纸板和砝码，纸板和桌面，砝码和桌面间的动摩擦因数均为μ，重力加速度为g，现在纸板上施加一恒力，将纸板从砝码下抽离。

图9

(1) 要使纸板和砝码产生相对运动，求所需的最小拉力F；

(2) 本实验中，m1=0.5kg，m2=0.1kg，μ=0.2，砝码与纸板左端的距离d=0.1m，取g=10m/s2。若砝码的运动距离超过l=0.002m，就能被人眼感知。为产生砝码未动的视觉效果，纸板所需的最小拉力是多少？

错因分析：关于问题(1)，不少学生给出的结果是F=f=μ(2m1+m2)g，原因是将纸板相对桌面发生相对运动时的受力情况与纸板和砝码发生相对运动时的受力情况相混淆，误将纸板和桌面发生运动作为砝码和纸板发生相对运动的条件；在问题(2)的解答中，很多学生把砝码移动的距离l简单理解为砝码在加速过程中的位移x1，却遗漏了砝码离开纸板后由于惯性，将继续在桌面做减速运动而向前通过的位移x2。

实验探究：本题所需的实验器材仅为一把直尺(代替纸板)和一块橡皮(代替砝码)，即使在高考考场上，依旧不妨碍学生进行即时的实验探究。若纸板被缓慢地拉动时，砝码相对纸板静止一起向前运动；当继续增大拉力时，砝码和纸板可能相对静止，一起加速运动；进一步增大拉力时，砝码和纸板可能出现相对运动，当砝码脱离纸板时，已获得了一定速度，将在桌面上继续做匀减速运动；当纸板所受拉力很大时，纸板获得的加速度很大，相对砝码被迅速抽出，砝码的加速时间约为零，获得的速度就趋近于零，故砝码的运动几乎无法被发现。

求解物理问题时，首先应进行受力分析，分析并明确研究对象的运动情况，将所涉及的物理过程逐一呈现，根据各个运动过程的特点，找到相应的条件，结合相应的物理知识，解决对应的物理问题。当学生难以明确物理过程时，探究实验可以把物理过程直观、清晰地再现出来，帮助学生准确认识和分析物理过程，使问题得以简化和解决。

可见，当学生对习题中出现物理现象、隐含条件、物理过程等问题感到不解时，不妨考虑一下利用实验突破困境，可大大提高教学效益。