張利國 王丹 史紅姝

摘 要：用氣墊導軌和光電門來替代打點計時器和紙帶等，既提高了實驗的準確性，也提高了學生進行實驗探究的興趣.在尋找速度變化和功之間的關系過程中，發(fā)展學生的科學思維水平.中學物理實驗是發(fā)展學生科學思維水平的重要載體，物理教師在這方面可以探索研究的空間還很大.

關鍵詞：功與速度變化;探究;科學思維

1 通過中學物理實驗發(fā)展學生的科學思維

2017版《普通高中物理課程標準》對“科學思維”進行了界定，并把科學思維分為模型建構、科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新等要素，這就要求教師在備課、上課的過程中，不能僅僅著眼于“雙基”教育，更要關注基于經(jīng)驗事實建構物理模型的抽象概括過程，關注分析綜合、推理論證等方法在教學環(huán)節(jié)中的具體運用，關注學生能否基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判.

物理學是以實驗為基礎的學科，在物理教學中物理實驗教學占據(jù)了極其重要的地位.物理實驗教學不僅能幫助學生理解復雜抽象的物理概念與知識，還能讓學生在實驗過程中把生活實際抽象成物理模型，學會科學探究，鍛煉學生科學思維能力，提升學生的實驗操作能力.因此，在高中物理教學中發(fā)展學生的科學思維，實驗教學是一個值得利用與研究的途徑.

在高中物理教學中，雖然實驗對實現(xiàn)多方面的目標起著重要的作用，但是由此斷定實驗對實現(xiàn)所有目標都是高效的顯然是不合理的.高中物理實驗，包括演示實驗和學生實驗，存在著用自己以往的知識和經(jīng)驗解釋實驗現(xiàn)象，反而強化了他們的原有認知的現(xiàn)象.如何利用實驗培養(yǎng)科學思維，實驗中可以培養(yǎng)哪些要素，尚需要我們進行探索.

2 教材分析

探究功與速度變化的關系實驗位于人教版教材必修2第七章第6節(jié)，在第4節(jié)和第5節(jié)中，分別探討的是功和重力勢能、彈性勢能的關系，從整章的安排來看，從本節(jié)課開始，將要研究和討論功和動能之間的關系，本節(jié)課是動能定理得出的實驗基礎，是對功能關系進行再討論的前奏.

教材中推薦的實驗器材是小車、木板、打點計時器等，如圖1所示.首先，因為用到的器材與牛頓第二定律的實驗器材相同，導致學生缺乏新奇感，探究的熱情不足.其次，對紙帶進行數(shù)據(jù)測量和處理的過程，需要學生的耐心和細致，占用了本可以進行思維培養(yǎng)的時間.為了提升同學們的探究熱情，也為了更有效地進行科學思維的培養(yǎng)，我們把氣墊導軌引入課堂，利用Excel表格進行數(shù)據(jù)處理，較好地完成了本實驗.

對比探究加速度與力、質量的關系實驗可知，一般我們把“原因”作為自變量，把“結果”作為因變量，即力、質量的變化導致了加速度的改變，因此作圖的時候，我們繪制的是a-F圖線等.本節(jié)課，雖然教材給出的實驗題目叫做“探究功與速度變化的關系”，但是探究的是速度變化與做功的關系，即速度變化是“結果”，做功是“原因”，課堂應該從“速度變化“的情境開始.

3 課堂環(huán)節(jié)

3.1 新課導入

取4～5張A4白紙，找一個學生側舉，用圖2所示的彈弓，裝上彈丸，靠近白紙，依次在兩側各放一根、兩根和三根皮筋的情形下，看能否打穿白紙.實驗發(fā)現(xiàn)，在彈弓兩側各放一根皮筋時，彈丸在第一張白紙上留下了痕跡，但連一張白紙都不能打穿;放兩根皮筋時，能打穿2-3張;放三根皮筋時，能把這幾張白紙全部打穿，并且丸孔清晰可見.

問題：三次實驗，白紙出現(xiàn)了不同程度的損壞，是什么導致了這種差別？

回答：彈丸的速度依次增大，速度不同導致了對紙張損壞程度的不同.

問題：什么原因導致了彈丸速度的不同？

回答：橡皮筋對彈丸做功的不同.

3.2 實驗中需要測量的物理量

3.2.1 滑塊的速度

用圖3所示的裝置，根據(jù)公式v=dt，我們可以測得滑塊經(jīng)過光電門的瞬時速度大小，其中d為遮光片的寬度，t為遮光時間，由數(shù)字毫秒計讀出.

3.2.2 對滑塊做的功

根據(jù)功的公式W=Fs，我們需要測量滑塊所受的合外力與滑塊的位移.位移可以由氣墊導軌上所附的刻度尺直接讀出，如圖4所示.在把氣墊導軌調平，且桶和桶內(nèi)砝碼質量遠小于滑塊質量的情形下，合外力可以認為是由桶和桶內(nèi)的砝碼的重力提供，如圖5所示.

3.3 探究過程

3.3.1 保證桶和桶內(nèi)砝碼質量不變，改變光電門位置

3.3.1.1 探究速度變化與做功的關系

將滑塊從同一位置由靜止釋放，依次改變滑塊的位移，即改變做功，測得數(shù)據(jù)見表1.

3.3.1.3 擬合

在Excel表格中，將上述數(shù)據(jù)輸入，依次擬合v-W關系、v2-W關系與v3-W關系，如圖6所示.發(fā)現(xiàn)v2-W圖象擬合結果幾乎是一條過原點的直線，v2與W成正比，即v2=kW.? ?3.3.2 保證光電門位置不變，改變桶和桶內(nèi)砝碼質量

3.3.2.1 探究速度變化與做功的關系

將滑塊從同一位置由靜止釋放，依次改變桶和桶內(nèi)砝碼質量，即改變做功，測得數(shù)據(jù)見表2.

3.3.2.2 猜測

3.3.2.3 擬合

3.4 理論推導

4 課后反思

動能定理的理論推導過程并不復雜，但本堂課的重心并沒有放在動能定理的理論推導上，而是把重心放在了實驗探究、找尋速度變化和做功之間的關系上，充分重視知識的生成過程.本章所滲透的物理觀念是“能量“觀念，本堂課最后也落在了做功與能量轉化的關系上，打破章節(jié)限制，從“單元”的角度來考慮本節(jié)課.

從科學思維上，本節(jié)課從生活實際——彈弓場景出發(fā)，到實驗探究，再到最后的理論推導，整堂課都涉及到模型的建構.實驗過程中，速度變化與功之間的關系，是v∝W？是v2∝W？還是v3∝W，通過尋找證據(jù)，最后得出實驗結論，需要科學推理、科學論證.合外力看作是由桶和桶內(nèi)的砝碼的重力提供，但要求有條件mM，本實驗不采用打點計時器，而采用較為精確的光電門來進行實驗，由此可以看出，實驗過程處處有質疑、有創(chuàng)新.

通過中學物理實驗，包括演示實驗、學生實驗和創(chuàng)新實驗，來發(fā)展學生的科學思維水平，老師們可以研究探討的地方很多，需要各位物理同仁共同努力.

參考文獻：

[1]陳輝，夏周.氣墊導軌探究“功與速度變化的關系”[J].物理教師，2019，40（03）：64-66.

[2]吳志山.基于學科核心素養(yǎng)導向的實驗探究教學——以“探究功與物體速度變化的關系”為例[J].實驗教學與儀器，2019（03）：3-5.