立足学生视角设计 提高实验复习效率——以“力学实验复习”教学为例

叶 晓 梁 旭

(1. 杭州市余杭高级中学,浙江 余杭 311100; 2. 浙江省教育厅教研室,浙江 杭州 310012)

实验复习通常的方法是对之前做过的学生实验逐个复习,这种方法既费时间,效果也不是很好,原因是学生并不是对各个实验的知识、方法和操作技能不知道,而是对相近内容易混淆、难点内容还没有真正掌握．教师如果能够在平时的教学和训练中,不断积累学生的错误和学习中的难点,对错误原因进行诊断,对难点内容进行分析,按照实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、数据处理和注意事项等维度组织复习教学．教学中对于器材的静态特征可以用照片进行教学,对于动态的操作,应该用视频进行教学,对于实验原理和数据处理,可选择合适的问题进行教学．根据学习内容确定合适的问题情境类型,既可以发挥学生的主体性,又提高实验复习效率．下面以力学实验复习为例进行说明．

1 会用打点计时器夯实力学实验基础

力学实验中的重点器材是打点计时器,8个力学实验中有5个实验使用打点计时器．作为一种器材,学生不仅要认识它,还要正确使用它．

问题情景:两种打点计时器(图1),电磁打点计时器的电源连接(图2),纸带安装图(图3)．

图1

图2

图3

表1

问题1. 图1中哪个是电磁打点计时器?哪个是电火花计时器?2. 这两种打点计时器只是记录时间的仪器吗?它们的异同点有哪些?3. 图2中电磁打点计时器的接线正确的是哪个?4. 图3中电磁打点计时器纸带安装正确的是哪个?5. 为什么从纸带上的点的信息能够获取运动物体的信息?

说明:问题2,相同点:都是同时记录时刻和位置(位移)的仪器,点间时间间隔均为0.02 s,不同点:打点原理不同,工作电压不同,纸带安放要求不同等．问题5,由于物体拖着纸带一起运动,物体的运动情况与纸带的运动情况相同,所以纸带上点的信息能够反映物体的运动．

2 结合装置分析原理把握装置的特征

问题情景:几个学生实验的装置(图4)．

(a)

(b)

(c)

表2

问题 1. 图4a和b实验装置的区别是什么? 2. 这两个装置对应完成哪个实验?是否都需要平衡摩擦力? 3. 用图4a做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,为什么需要满足M≫ m? 4. 用图4c做“验证机械能守恒定律”实验时,为什么不能用v=gt计算速度?

说明:对于问题3,在做这个实验时,学生还没有学习牛顿第二定律,在复习阶段,学生已经具有用牛顿运动定律分析实际问题的素养了,就应该要求学生从理论角度独立推理出实验条件．对于问题4,因为下降高度h是直接从纸带上测量的,是确定的,如果选用v=gt计算速度(t=0.02(n-1)s,n为点数),相当于根本不考虑阻力,把运动“认定”为自由落体,即已经“认定”为机械能守恒了,假设用这种计算速度方法,在水中做实验,也仍能得到机械能守恒这一错误结论,显然这与实验验证要求不符．

3 掌握物理量测量方法突破实验难点

3.1 速度和加速度的测量

问题情景1:如图5所示是实验时打出的一条纸带,A,B,C,D…为每隔4个点取的计数点,据此纸带可知小车在D点的速度大小为________m/s(小数点后保留两位)．

图5

问题情景2:“探究功与物体速度变化的关系”的装置如图6a所示,图6b是小车运动过程中打点计时器在纸带上打出的一系列点,则小车离开橡皮筋后的速度为________m/s(保留两位有效数字)．

图6

表3

问题 1. 图5、6分别要求速度值“小数点后保留两位”和“保留两位有效数字”,有什么区别? 2. 图5中D点的速度大小如何求?数值是多少?如何求这条纸带的加速度? 3. 图6中“小车离开橡皮筋后的速度”怎样求?数值是多少?

图7

3.2 质量的测量

问题情景:托盘天平(图7)．

表4

3.3 力的测量

问题情景:图8是3位同学“平衡摩擦力”时的操作视频截图,图9、10、11和12是“探究加速度与力、质量的关系”的实验操作时的照片,图13a是规格为50g的钩码、图13b是砝码、图13c是重锤．

图8

图9

图10

图11

图12

图13

表5

问题1. 从视频中我们看到,3位同学“平衡摩擦力”时,有的已挂了砝码盘,有的车后拖了纸带(图8所示),车子有的静止,有的匀速,有的加速.“平衡摩擦力”正确的操作与是否已被平衡的判断要求是怎样的?2. 图13中的(c)是什么?上面是否标了质量?3. 有同学在盘中分别放入1个、2个、3个…钩码用于改变拉力的大小,这样做有无不妥?4. 图9、10、11和12是“探究加速度与力、质量的关系”的实验操作时的照片,你能找到几处不规范的操作吗?5. “探究加速度与力、质量的关系”的实验时,对滑轮位置有否要求?为什么?

说明:问题1中“平衡摩擦力”时需要在车子后拖上纸带,车子应该缓慢持续运动(直接判断匀速运动有困难)．问题3在盘中分别放入1个、2个、3个…钩码用于改变拉力的大小的做法是不妥的,原因是不能保证m≪M,另外,由于钩码质量较大,小车的加速度较大,运动过程中有脱轨掉到地上的危险．问题4中不规范之处有:细绳与桌子边缘接触,盘中不应该放钩码而应该放砝码,车子里应该放钩码而不是砝码．

3.4 功的测量

问题情景:

A 探究做功与物体速度变化的关系

B. 验证机械能守恒定律

C. 研究平抛运动

D. 探究加速度与力、质量的关系

表6

问题1. 在“探究做功与物体速度变化的关系”实验时,为了使橡皮筋拉力做功成为合外力做的功,需要满足什么条件? 2. 为了测量简单,我们如何处理橡皮筋弹力做的功?对几条橡皮筋有什么要求?3. 在“验证机械能守恒定律”实验时,动能增量如何测量?势能减少量又如何测量?这两个值哪个稍大一些?为什么?4. 为了减小阻力对“验证机械能守恒定律”实验的影响,实验操作上有怎样的要求?5. 在“研究平抛运动”实验时,是否可以通过测量小球下降高度,再用mv2/2=mgh计算得到水平抛出速度?为什么?6. 图14哪些实验中的研究对象要从同一位置自静止开始运动?

说明:问题3,常选择初速度为0的纸带进行处理,通过测量纸带上的速度和位移算出动能增量和势能减少量,由于阻力的作用,势能减少量大于动能增量．问题5,小球与斜槽之间虽然存在阻力,但这个阻力并没有做功(小球是纯滚动),由于小球在下滚的过程中,速度与角速度变大,重力势能转变成了平动动能(mv2/2)和转动动能(Iω2/2)之和,所以不能用mv2/2=mgh求水平抛出速度．问题6,“探究做功与物体速度变化的关系”和“研究平抛运动”实验的研究对象要从同一位置自静止开始运动,前者是为了保证每次每根橡皮筋做功相等,后者是为了保证每次实验轨迹是重合的．

4 正确处理数据 获取实验结果

问题情景1:用如图15(a)装置做“探究做功与物体速度变化的关系”实验,有同学根据实验数据得到的图像如15(b)所示．

图15

问题情景2:图16是“探究小车速度随时间变化的规律”实验时将实验测得的数据描在v-t图像后,3个同学得到的a、b、c3种拟合方式．

图16

表7

问题 1. 实验数据处理时,为什么一般都是用图像来处理?图像方法有什么好处? 2. 为了能更加直观地确定W与v之间的关系,图15(b)图像应如何转换? 3. 得到直线为什么比曲线好?力学实验还有哪些实验数据处理采用“化曲为直”的方法? 4. 图16中哪位同学的v-t图是正确的?为什么? 5. 在求解图像类问题时,除了观察数据点的分布外,是否还有影响画图像的因素?

说明:问题4中,图16b是正确的．因实验数据是有误差的,让图像经过每一个点的做法是不合适的．图像反映的其实是物理规律,物理规律通常是简洁、和谐的,图像a、c都没有满足．作图时应先观察所描点的分布是否大体在一条直线上,猜测变量间可能遵循的规律,然后进行拟合,让尽可能多的点过拟合线,没有落在拟合线上的点大致对称分布．问题5,考虑到初学阶段进行规律探究时规律对于学生来说还是未知的,作图时只能对数据进行拟合,但问题求解时,学生已经掌握了规律,作图时既要考虑数据点的分布,也要考虑实验情境中物体运动所遵循的规律．例如本题“探究小车速度随时间变化的规律”的实验情境是小车被系着重物的绳子拉着在水平面上运动,是匀变速直线运动,v-t图像应为直线．