中学物理三个力学演示实验的创新性设计

2022-09-29武梦竹

新教育时代电子杂志(教师版) 2022年11期

武梦竹

（通海县河西中学云南玉溪 652700）

引言

当下，人类的生存环境越来越恶劣，对生活质量的要求却越来越高，两者都越来越依赖于科学技术的发展，当然社会的进步、全人类的发展都与全民的科学素质息息相关[1]。所以，迫切需要提高全民科学素质。重任落在了教育工作者肩上，而想要提高学生的科学素质，首先要培养学生的创新意识。因此，提高学生的创新能力是每一位教育工作者应该认真思考的问题[2]。然而，目前中学物理教材还存在思想陈旧、内容不新、器材落后、趣味性不强、缺乏设计性等问题。因此，物理教师应在教学过程中以科学实验为基础、增强创新意识、优化教学内容、更新实验器材、改进教学方法，促使学生得以真正领略物理学科魅力、发展科学创新思维、提高科学创新能力[3-4]。本文为此具体探讨了中学物理力学演示实验创新性设计。

一、物理学实验创新的要求与必要性

物理学是一门基础科学，是整个自然科学和现代技术发展的基础，在知识经济中具有不可替代的作用。物理学更是一门以实验为基础的科学。在物理教学中，教师的演示和学生的实践是物理教学中两个不可缺少的环节[5]。其中，教师的演示是否新颖、是否突出、是否具有表现力直接影响了学生对教学内容的理解和自身创新能力以及科学实验能力的培养。

当前新课标对物理教学有很大的改革，考试题目越来越灵活，难度也有所增加。这就要求物理教师要适应改革的变化，努力创新教学方法去进行物理教学。当前新课程标准强调重视理论与实际生活相联系，同时注重培养学生善于观察、乐于思考，勤于动手[6]。

二、三个中学物理力学演示实验创新性的设计

①传统教学是老师操作给学生看，容易导致学生的思维被禁锢，根本不会思考教师所讲的知识在生活中、在科学发展中的用处何在，也就更谈不上学生利用教师所教的知识去创新发明。②实验内容比较老旧，跟不上时代的创新，缺乏设计性和探索性。目前中学物理实验大多还是以教师为主体，教师把实验目的、步骤和内容都详细的讲解，学生只是被动地去验证教师给出的结论，违背了学生善于观察、乐于思考，勤于动手的要求。严重制约了学生的动手能力和创新能力。③由于领导、教师对实验不够重视，导致了实验开设率低，仪器设备成就落后甚至不足。诸多原因以至于一些中学根本无法完成大纲规定的教师和学生实验，特别是课改之后的教材中增加的实验。陈旧的仪器设备，直接影响了实验的效果，使得科学理论得不到验证，学生只能“死读书”。还有实验课费时费力，导致很多教师把做实验改为讲实验，严重偏离了物理教学以实验为基础这一科学根据。

本文选择中学物理中三个比较典型的力学演示实验进行创新，利用身边的简易器材，简单明了的展示实验现象，使学生能够轻松掌握物理知识。

1.实验探究静摩擦力的大小

物理教科书中对摩擦力的定义：两个相互接触的物体，当它们相对运动时，在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力。根据这个定义，教师通常将摩擦力产生的条件归为两点：①两物体要相互接触，还要相互挤压，并且有相对运动（或相对运动的趋势）；②接触面粗糙。接触面的粗糙程度和接触面面积的大小不是同一个概念。教师怎么引导学生理解接触面积对摩擦力大小是否有影响尤为重要，摩擦力的大小与物体间的接触面积无关。

由上述分析可知，关于“摩擦力的产生”的实验创新性设计：（1）摩擦力产生的实质到底是什么？尽管有“分子粘合说”，但现在我们还是不能对摩擦做出完美的阐述。这样的问题有点抽象，涉及很多物理知识，甚至大学物理的内容，因此摩擦力成为中学物理教师们喜欢探究的实验。（2）多数中学物理教师都是本科生毕业，关于摩擦力的定义及产生原因等的相关知识储备不够。目前中学物理教科书对摩擦力的定义只能让学生知道什么时候产生摩擦力，但却不知道为什么会产生摩擦力。而摩擦力产生的原因以及摩擦力大小与接触面积无关的内容，教科书提的很少，只是在做题的过程中，涉及到怎么测量摩擦力大小的实验。虽然摩擦力产生的原因不是中学物理课程标准所要求的内容，但作为物理教师应该对整个物理学知识体系熟练掌握，对物理知识有更深层次的提高。摩擦力中，静摩擦力尤其抽象，学生经常忽略静摩擦力的大小，因此探究静摩擦力的大小尤为重要。

现行的中学物理教材中，探究静摩擦力的方法为把木块放在水平长木板上，用弹簧测力计沿水平方向拉木块，当拉力F增大到一定值时，木块刚好动时记下弹簧测力计的示数即为最大静摩擦力，继续用力达到某一数值时木块开始移动，此时拉力会突然变小。如果按照教材进行实验，学生很难理解弹簧测力计的示数代表什么。同时学生很难理解和直观地看出弹簧测力计示数的变化，所以学生很难理解静摩擦力和最大静摩擦力的大小。探究实验虽然简便、但是难以控制变量，没有定量的科学数据加以证明，说服力不够，科学性不强。本课题中，笔者采用简易的物理仪器来完成对静摩擦力大小的探究。实验通过观察弹簧秤拉力的大小从而得出静摩擦力的大小，同时还可以得出静摩擦力的大小变化规律。效果明显，具有较强的感染力，容易引发学生思考。

实验材料：

a.底板较光滑的带有滑轮的支架 b.弹簧秤 c.可以调节高度的定滑轮 d.滑块 e.带轮子的小车 f.沙和沙桶。

实验操作：

（1）用弹簧测力计读出沙与沙桶的总重力，再将沙桶挂在小勾上（小车保持静止），读出此时弹簧测力计示数。

（2）改变沙与沙桶的总重力，仍使小车保持静止，观察弹簧测力计示数的变化。

（3）继续增大总重力，观察小车刚动时拉力与原来的大小变化。

提问引导学生得出结论：

（1）我们要得到的是静摩擦力的大小，而观察的是拉力的大小，怎样才能得出静摩擦力的大小？

（2）由实验能否得出静摩擦力的大小规律？

总结：

静摩擦力的大小随着拉力的增大而增大，并与拉力大小相等。即当物体只是具有相对运动的趋势时，此时：f静=F拉。

2.验证流体压强与流速的关系

笔者通过对大学物理中所学伯努利原理的进一步研究，从而得出一种较为简单的实验仪器来证明流体压强和流速之间所存在的关系，实验器材简单，并且笔者所创新的实验仪器可以作为中学多组实验的课堂演示教具，可以证明流体压强和流速的关系、大气压强的存在、液体压强随深度的增加而增大，从而达到了一物多用的效果。实验材料均来源于生活，方便获取，此实验易操作，可观性较强，效果明显，具有较强的感染力，容易引发学生思考。

笔者在新课前设置了两个环节：

1.小游戏：隔空点火。手中有三支蜡烛，用打火机点燃旁边两支蜡烛，让学生猜想中间的蜡烛不用打火机能点燃吗？2、演示自制教具：“听话的纸片” 。器材由小风扇和饮料瓶改造而成，当在瓶口撒上碎纸，当开动风扇时，碎纸会随风舞动，听话的钻进瓶里了。

两个神奇的小游戏都是气体流动的速度发生了改变，气体的压强跟流速之间有什么关系？学生猜想假设：气体流速越大的位置，压强可能越小？

实验材料：针筒、热熔胶、红墨水

实验操作：

针筒实验：笔者将粗细不同的四个针筒A、B、C、D用胶粘起来，在B、C、D三个针筒上分别扎上小孔，让三个小孔在一条直线上，将针筒装满水，装水时，让三个小孔全部没入水中，在相同推力作用下，观察三个小孔喷出水柱的高度。由于水是透明的，所以在水里加入了红墨水，采用反衬的方法，使效果更加明显。我们可以看到三个小孔喷出水柱高度是不一样的，小组讨论最后得出结论：从B针筒喷出水柱最高，因为B针筒最粗，水流速度最小，压强最大；有的小组发现：从D针筒喷出水柱最低，因为D针筒最细，水流速度最大，压强最小。

3.利用杠杆法测量固体的密度

在现在的中学物理教材中，测量物理的密度是先测量物理的质量，接着测量物理的体积，在测量质量及体积的过程中涉及到读数，所以误差比较大，但是笔者在本文中所采用的方法为利用杠杆平衡的条件测量出的物体的密度，大大减小了对固体物体的密度测量的误差，从而提高了物体的密度的测量的精确度，实验安全简便，趣味性很强，容易理解。

实验材料：烧杯，铁架台，杠杆，水，砝码，待测固体。

实验操作：

（1）调节杠杆，让杠杆保持平衡状态，在杠杆的右边放入重为G的重物，在杠杆的左边放入待测物体G1，调节杠杆使其保持平衡，利用杠杆平衡条件知：

（2）保持左边的力臂不变，将待测固体放入装有水的烧杯中，并且让固体完全侵没在水中，此时调节杠杆右边的力臂让杠杆再次保持平衡，此时有其中Q为固体在水中所受到的浮力。

在常温下水的密度是知道的，因此可以利用公式（4）计算出固体的密度。

实验讲解：

利用此方法来测量固体的密度方便而快捷，实验教材来源广泛，避免了对量筒、天平的使用，大大减小了实验的误差。此演示实验也可以用于在一些边远贫困的地区教学资源比较匮乏的学校使用。本文所设计的创新性实验内容新颖、科学、趣味性强，实验仪器设计简易安全，实验效果较为明显，学生容易理解，易于学生创新思维以及创新能力的培养。