中学物理创新实验中的低成本与高智慧

阮伟文

物理是一门以实验为基础的学科。在科学的研究方法中，实验不仅仅是一种操作，更是一种思考方式。 “中学物理低成本创新实验”中的“创新”不同于科学家、艺术家的创新，而是指通过对中学生施以系统的教育影响，使他们作为学习主体，能够善于认识有意义的新知识、新事物、新思想、新方法，掌握其中蕴涵的基本规律，并具有相应的能力，为将来成为“创新型”人才奠定全面的素质基础。

一、中学物理低成本创新实验的探究模式

一个优秀的“教学工作者”首先是一个出色的“课程工作者”。 或者说，优秀的教师一直在参与课程资源的开发和利用。在课堂教学中，我们更提倡在演示和分组实验中对低成本实验的开发与研究，并利用科学探究模式（从观察现象→提出问题→构建模型→方案设计→实验探究→数据测量→归纳总结），发挥学生的主体作用，引导他们通过探索、合作、交流掌握物理知识，提高学习能力，培养科学素养。下面结合实例谈谈中学物理课堂教学中演示和随堂实验资源的开发。

二、中学物理低成本创新实验的实践过程案例

本节课是《动能定理》的第二节应用课，在教科书中并没有这节课的内容，如何围绕动能定理研究变力作功这个主题，这是教学中的关键要素。新课标要求能用动能定理解决生产和生活实际的有关问题。因此在这节课中，主要是通过学生寻求生活中变力功的实例，并设计实验，而且要求实验中很大一部分器材直接取材于生活用品，鼓励学生自己动手化废为宝来制作，来加深对动能定理的理解。以下的教学设计就是笔者在这一方面的尝试。

教学设计如下：

（1）启发思维，引入问题

师：蹦极是一种惊险刺激的运动，系着运动员的绳子是由两段组成，上面一段是不可伸长细绳，下面一段是拉力与伸长量成正比的弹性绳。站在悬崖往下跳时，如果不考虑空气阻力，运动员的受力情况以及运动是怎样的呢？

生甲：以运动员为研究对象，受到重力和弹性绳的拉力。

生乙：当细绳没有拉紧前，运动员做的是自由落体运动；当拉紧后，弹性绳的拉力随着伸长量的伸长而增大，做的是变减速运动。

（2）构建模型，设计实验

师：那我们如何求变化的弹性绳的拉力所做的功？听起来不太现实，可能很多同学都没玩过蹦极，能否用实验室的器材当场来模拟蹦极的过程？

师：蹦极这项运动是由不可伸长细绳，弹性绳以及运动员组成。大家想想看能不能用什么来替代它们？可分小组讨论？

生：用钩码代替人，用橡皮筋来代替弹性绳，用个铁架台系上细绳，弹性绳，再挂上钩码，从最高点释放，就可设计出“蹦 极”。

师：非常好。我们把蹦极模型化，搬到实验室，一起真实感受它，请大家动手体验一下（学生动手）。

（3）小组讨论，制定探究方案

师：感受了“蹦极”，钩码从最高点运动到最低点时，能否用实验来测定弹性绳的拉力所做的功？还需要什么测量仪器？

生：在铁架台旁固定个尺子，如图1所示，测出钩码自由下落的高度；以及最高点到平衡位置的高度；和最高点运动到最低点的高度。

师：钩码自由下落的高度；以及最高点到平衡位置 的高度都好测，可怎么测定最高点到最低点的高度呢？也就是怎么确定最低点的位置？

生甲：让钩码从最高点释放，运动到最低点时，目测钩码位置。

生乙：这样目测误差大。

生丙：（如图1所示）先目测最低点大概在某一位置。然后把小尺子放在那位置，去接触下落的钩码。如果没碰到，那就太低了，把小尺子放在更高的位置，如果砸到了，就高了，在这两者之间选取一个位置，让钩码恰好接触尺子，这就是最低点。

（学生分组进行实验）

（4）根据实验数据，测出变力功

师：根据我们同学通过实验得到的数据，我们可以编出一道物理题：如图2装置，质量为m=100g的钩码，自由下落的高度为h1=35cm，最高点到平衡位置的高度h2 =42cm，最高点到最低点的高度h3=60cm。如何根据这些数据测出物体克服拉力所做的功Wr ？大家可以分小组讨论一下。

生甲：用W=Fscosθ 求。

生乙：这是适用恒力做功，不适用变力做功。

生丙：用动能定理求。

师：动能定理的基本步骤是确定研究对象，再对它受力分析，然后根据选定的某一过程的始末状态列动能定理。请同学对这一过程进行分析。

生甲：以钩码为研究对象，如果不考虑空气阻力，在A—B自由下落阶段，只受重力，在最高点A到平衡位置C，受拉力和重力，拉力小于重力；从平衡位置C到最低点D，拉力大于重力。如图2其中hAB=h1，hAC=h2，hAC=h3选取两个过程列动能定理。（细绳、弹性绳重量不计）

A—B：mgh1 =■mv2-0

B—D：mg（h3-h1）-WT=0-■mv2

生乙：选取全程列动能定理。

A—D：mgh3 -WT =0—0

代入数据得：WT=0.588J

师：分过程求好还是全程求好？大家可以讨论一下。

生甲：全程求好。可以把很多复杂的问题简单化。

生乙：因为动能定理的初动能和末动能只由始末两个状态决定，可以忽略过程。这是它最特别的地方。

生丙：即使整个过程是由加速，减速不同的运动过程组成也可用动能定理求。

师：同学们都讲得很好，用动能定理求变力做功，既可分过程求，也可全程求。当我们用W=Fscosθ无法求解时，可以考虑用动能定理间接求解。同学们在课后可进行对跟蹦极相似的蹦床运动中的变力功进行实验探究。

三、低成本高智慧物理实验的发展前景

通过以上的探究活动，我们对生活中的变力功做了研究，他们都来源于生活。因此就有了这些生活中的实例模型化，让我们的同学能够用实验室的仪器当场模拟。比方说用一些简易器材设计出“蹦极” ，在测出相应的实验数据后，我们又根据这些数据，编出了相应的物理题，真所谓高潮迭起。在整个教学设计中，时不时的闪烁智慧的火花，比方说设计出巧妙的测量方法，蹦极引出的蹦床，这些都让整节课增色不少。

用一些简易器材来做物理实验，更有利于放手让学生在课外自己动手，通过“做中学”，提高独立实验的能力。指导学生开展“中学物理低成本创新实验”设计与开发的实践研究并不是一帆风顺。它需要具有高素质与创造力的老师，在教学过程中，不断提高自己的创新能力，掌握创造思维和方法，在课堂中展示自己的高智慧。