实验探究是高中物理教学的重点同时也是难点. 任何一个探究未必都一定要包括完整的探究环节,有的只是涉及问题的提出,有的则只是建立科学的假说,有的只是设计实验方案,有的只是对信息的解读或问题的讨论.
“探究功与速度变化的关系”是通过实验的方式探究不是直接正相关的物理量——功与速度变化之间的关系,在没有学习动能定理的前提下探究功与速度变化的关系,尽管明确探究的主题,但如何形成探究的方案、怎样实施探究、操作的技巧是什么、实验中观察什么、记录什么、如何分析、如何利用数据形成结论等,这些都涉及如何提高探究效度的问题,因此它应当成为日常教学深入思考和研究的命题.
一、理清教材的逻辑结构,诊断学习基础力是形成有效教学的前提
探究功与速度变化的关系列出了三个二级标题,分别为 “探究的思路”“操作的技巧”和“数据的处理”. 它们分别从“制定计划和设计实验”“进行实验和收集数据”和“分析与论证”三个层面实施部分探究来实施教学计划.
教材开宗明义提出讨论物体的动能. 通过特定物理场景的限定,指出“通过实验探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系”,从而减缓了w合=ekt-eko的学习难度. “探究的思路”中给出了“倍增法”如何量度橡皮筋变力功;间接测定小车获得的速度;描点法做出w-v图象,分析这一曲线获得橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度之间的定量关系.
尽管变力的功有多种探究形式,但选择橡皮筋做功来探究,不仅考虑到这样处理容易使学生产生新鲜感,激发学生探究的兴趣,也因为器材来源的方便性,情境的生活化和变通性易于让学生接受.
二、对探究部分环节的解读,是实施有效任务驱动的基础
探究活动的课题确定好了就需要实施操作,如何进行实验探究?教材并没有直接给出,而是给师生提供了一个相对广阔的自主空间,有意让学生通过合作性学习制定具体的实验方案. 在探究过程中为了能使探究顺利进行,可以通过问题链引领学生解决探究过程中遇到的问题.
探究的主题是功与速度变化之间的关系,实质上是探究变力功与动能变化量之间的关系,为此探究过程要注重程序性和渐进性,对探究过程要注重如下几个方面的问题.
1. 创设物理情境,让学生真切感受做功会引起物体动能的变化
基于物体的动能与速度存在一定的关系这一知识层面的认识,理解研究对物体所做的功与速度之间也存在一定的关系,到底是什么关系,这是本节课探究的主题.
2. 如何形成假设
功是什么样的功?恒力功还是变力功?如何量度不同物理过程下功的大小?“倍增法”思想的渗透是培养学科思维方法的关键. 测定什么时刻的速度?为什么非得测定该特定状态下的速度?这是理解橡皮筋通过做功转化成小车动能的根本. 该探究主题涉及到选择点和如何测量这一知识点.
3. 如何设计实验方案
这一环节需要考虑的因素很多,也非常重要,归纳起来有以下几个方面:(1)实验过程中需要什么仪器?(2)怎样保证实验条件?(3)哪些因素是自变量?(4)怎样控制变量和进行测量?(5)用什么仪器进行测量?(6)使用仪器时需要注意哪些问题?(7)记录数据的表格需要有哪些项目?
4. 分析误差的来源
误差的来源之一是用多条橡皮筋时,橡皮筋的长度、粗细不一,使橡皮筋对小车的拉力与橡皮筋的条数不成正比. 其次,橡皮筋的弹性势能完全转化成小车的动能后,测量所选择的点从哪儿开始测量?
5. 数据处理是该探究主题的难点
在不知道动能与速度之间的关系式,又不知道功与动能变化量之间的函数关系,自变量与因变量相关性不大,实验设计和实验操作离散型较高的探究主题下,寻求功与速度的关系无疑是教学的一个难点.
三、学科方法的教育与操作技巧的强化是培养学科能力的载体
1. 强调实验操作的技巧
(1)制作斜面:为什么做成斜面?放置在倾斜面上的小车在平衡掉摩擦后,研究橡皮筋弹力对小车做的功即为合力功.
(2)橡皮筋的选择:让学生一同选择相同规格的橡皮筋是获得w倍数的前提.
(3)实验装置的安装:先固定好电火花计时器,将几根等长且长度一致的同规格橡皮筋固定于斜轨道一端两侧呈对称分布的铁夹子a、a’上.
(4)实验操作情况的控制:由于橡皮筋条数的增加,对小车的弹力增大往往使小车的运动偏离中央轴线,选择前面带小钩且质量大的四轮小车最佳.
2. 突出学科思维的方法
(1)如何理解“倍增法”定量计算不同物理过程下的变力功?橡皮筋的弹力随其改变量间是非线性关系,拉动小车的变力功无法定量计算. 选择完全相同的橡皮筋,保证各次实验中橡皮筋对小车的功都是的w倍数.
(2)选择哪些点测量小车获得的最大速度是表征功与动能变化量关系的前提.
(3)如何使描出的w-v关系比较真实?在w-v坐标系中描绘出w和v各对应点后,既要观察各点的位置关系,又要考虑这些点间应有的函数关系. 作图象时要加大纵坐标轴的单位长度. 从原点o开始描绘图线也可以避免画成直线.
(4)从w-v如何形成w-v2图象?尽管设计的表格清晰地记录实验的数据,但对于高一学生而言,很难从数据上直观看出w与v之间到底是什么样的函数关系. 像下列表格所罗列的w-v的w-v2关系所示那样,只有通过描点法作图才能看出w与v之间存在什么“走势”,才能基于这种“走势”进行猜测因变量和自变量之间存在什么样的函数关系. 为此采取描点法作出的w-v图象,是实施结论猜想的根本.
四、精心设计教学程序是保证有序探究的根本
从教学程序上采取如下方式:设景激疑─任务驱动─合作探究─释疑解惑─深化创新”物理课堂教学模式. 这种安排比较符合学生的认知规律. 教学流程设计为如下环节(见图1):
【实验方案的设计与选择】
教师:探究功与物体速度变化的关系,既可以从理论的层面通过逻辑推导进行研究,也可以通过实验的方法进行探究. 我们通过实验的方法来探究功与物体速度变化的关系.
必须要让学生经过充分的合作性研究,讨论并形成探究方案,这是实施有效教学的前提. 教师也只有在巡回指导中发现学生优秀的实验方案,才能引导学生实施定向探究.
根据现实易得的实验器材,联系拉弓射箭的生活实例,采取橡皮筋拉动小车的办法就成为本节课探究方案的实验形式. 在设计实验方案时,要根据实验目的与现有的实验条件进行选择,当利弊共存时,要辩证地选择合适的方案,而不是一味地追求所谓的精确.
教师引导学生观察实验器材,通过多媒体出示相关思考问题:
问题1:怎样测量物体运动的速度?
学生提出方案1:用打点计时器,也可以考虑用气垫导轨配套的光电门测量速度,或用红外线传感器直接测量物体的速度.
> 教学说明:在用各种不同的方法测量小车的速度时,教师应引导学生明确:首先要通过各种途径了解实验的原理. 让学生认识到,实验的目的不仅仅是为了动手实验,更是为了通过不断地动脑和不断地解决问题的过程中提高分析问题和解决问题的能力. 实验的价值也体现在这里. 在学生通过充分地思考与讨论形成较为清晰的思路的基础上,就教材中的实验方案进行实验探究. 那么,我们在实验探究前首先要明确哪些内容呢? 教师组织学生进行交流,并通过师生的互动解决以下问题:(1)实验中需要首先解决哪几个关键的问题?(2)实验装置应怎么组装?(3)实验的程序?(4)怎样进行实验数据的采集、分析与处理?
问题2:橡皮筋的弹力做的功是不是就是我们所探究的功?
组织学生合作讨论后,要让他们知道实验中除了橡皮筋的弹力做功,还有摩擦力做功,但实验的前提是通过营造斜面,重力沿斜面的分力将摩擦力平衡掉,因此不再考虑摩擦力做的功. 而且橡皮筋做的功完全转化成小车最后的动能.
问题3:如何测定小车的速度?测定哪一点的速度?为什么选择这样的点?
需要测量的是弹力做功结束时小车的速度,即小车做匀速运动的速度. 如图2所示为一纸带,在纸带上测量的物理量是图中a1、a3间的距离x,小车速度的表达式为v=x/27,其中t是打点计时器的振动周期.
【实验操作与相关数据的采集】
教师要引导学生基于合作讨论形成的认识,利用实验桌上给出的实验器材进行实验. 要提醒学生形成良好的实验习惯:设计实验步骤和设计实验数据记录的表格.
问题4:设计实验步骤.
要通过合作性研讨形成缜密有效的实验方案. 教师要强调实验操作的技巧,针对问题不断完善实验方案.
(1)观察打点的纸带,点距是如何变化的?点距是否均匀?问题出在哪里?若恰能平衡摩擦力,试分析小车会做何种运动?应该采用哪些点距来计算小车的速度?
(2)如何标记小车运动的初始点和开始做匀速直线运动的起始点?
(3)如何进行多次实验?
①使用一根橡皮筋时将小车的前(或后)端拉到点,接通电源,打点计时器打点,释放小车,小车离开木板前适时使小车制动,断开电源,取下纸带. 重复本项前面的过程,选出清晰的纸带.
②换用材料、粗细、长度相同的两根、三根、…、 六根橡皮筋分别进行实验. 记下各次实验中点距相等t=0.1s的位移δx2,δx3,…,δxn求出小车分别获得的速度v2,v3,…,vn.
③以功为纵轴(用第一次橡皮筋做的功为纵轴的单位长度),以速度为横轴(可以用适当的速度值为单位长度,也可以用第一次小车的速度为横轴的单位长度),建立坐标系,用描点法作出图象,看看是否是正比例图象,若不是,功与速度的哪种相关量(的变化量)是正比的,功就与速度的这种相关量(的变化量)具有确定的函数关系.
【实验数据的分析与处理】
教师选择部分实验小组的代表,通过视频转化装置展示实验数据的记录和描点法作图做出的图象. 教师组织各学习小组对展示的几个成果进行研讨,听取部分学习小组的评价发言. 同时教师要通过任务驱动的方式引导学生针对记录的实验数据进行探究.
(1)应该用平滑的线连接w-v坐标轴上的点,得到平滑的曲线. (2)在w-v坐标系中描绘出w、v的各对应点后,既要观察各点的位置关系,又要考虑这些点间应有的函数关系. 由于存在实验误差,这些点的位置既可能表现为直线分布,也可能呈曲线分布.
教师:在w-v图象中得到一条曲线说明什么问题?是否可以说明w、v间呈双曲线分布关系?为什么?我们是否试做一下w-v2图线来看看w、v间的函数关系呢?
教师:我们将这些数据录入计算机,利用excel软件进行数据处理. 在“添加趋势线”选项中可以实现线性,2次、3次、……、n次等多种曲线性质的选择,使坐标平面上作出的各离散点间拟合出来的曲线的性质更加直观明确,如图所示.
【交流与评价】
以上我们通过橡皮筋对小车做的这一变力功与小车速度变化的探究,理解了探究的原理、过程和方法,针对实验对其产生的误差进行了初步的分析,寻找到了功与速度变化之间的关系,针对自我探究的过程,就自己的认识请同学们交流!
学生甲:我们使用橡皮筋、气垫导轨和光电门探究变力做功和速度变化的关系. 数据的处理在使用软件后,图象上显示功和物体获得的速度的平方成正比关系,这和我们猜想的结果相同.
学生乙:若物体的初速度不为零,我们猜测橡皮筋做的功和速度的平方差成正比. 我们利用气垫导轨和两个光电门来验证我们的猜想.
教师:请你们具体谈一下验证新猜想时你们的实验设计?
学生丙:我们在橡皮筋伸长的状态下,取两个位置分别放上两个光电门,只要橡皮筋每次的起点相同,在两个位置间橡皮筋做的功和橡皮筋的根数同样成正比,我们只要测出两个位置的速度就可以分析功和速度平方差间的关系了.
教师:这一组同学做得非常好,得到功和速度的平方成正比后,还进一步探究了初速度不为零的情况下橡皮筋的功和速度的平方的差成正比.
教师:我们顺着这条思路可以继续大胆地猜想,如果是变力做功,变力做功和速度变化的关系的定量等式是怎样的呢?请同学们课余思考!
教学设计的定位如果不仅局限在对动能定理的理解和应用上,那就必须对探究功与速度的关系从实验原理、实验过程、实验操作的细节、测量的物理量、数据如何处理,包括实验条件的控制和实验数据的采集与分析等几个环节,进行逐层递进的问题设计,这都是向什么样的命题进行趋近,让学生明确探究及思考后的设计,只有这样才能达到课堂教学的真正目的.
