抽象实验在高中物理新教材演示实验中的实践

何正国

摘 要： 演示实验在物理教学中具有重要作用，做演示实验的目的是让学生理解物理概念，掌握物理规律，培养其实验技能，但有些教学内容的演示实验效果并不明显或根本无法当堂演示。这时可以让学生采取用抽象实验的方式得到实验结论，这样能让学生更好地理解、掌握所学的物理概念和物理规律，提高学生的综合分析能力和逻辑思维能力。抽象实验对于那些演示实验效果不显著或根本就无法进行当堂演示的实验有很好的补充作用。

关键词： 抽象实验 高中物理新教材演示实验 实践

一、高中物理新教材课堂演示实验教学现状分析

在实验教学中，学生在老师的指导下，通过观察老师的演示实验和亲自动手完成实验，能使学生眼、手、脑并用，从生动、真实的实验现象中理解并构建物理知识，这符合学生从形象思维到抽象思维、从感性认识到理性认识的认识规律。因此，教师做好演示实验，可以让学生从观察和分析物理现象中，获得生动的感性知识，从而更好地理解、掌握物理学的概念和规律，还可以提高学生的观察能力、综合分析能力和逻辑思维能力。

在物理教学中，教师为了增强教学效果，经常采用演示实验，在学生看来，课堂演示实验更像是一场表演，是授课教师精心准备的魔术，学生往往认为实验跟考试无关，也就不会对实验进行更深入的思考与钻研，这完全违背教师设计演示实验的初衷，导致不少师生对演示实验的功能产生怀疑。这说明课堂演示实验既有增强教学效果的有利方面又有导致学生参与度较低的局限性。笔者认为，物理实验教学不能局限于验证实验，不能让学生只是机械记录和机械模仿，应该多安排些探究性实验，充分发挥学生的主观能动性，启迪学生的思维，这样才可以让物理实验教学具有生命力，才能充分发挥物理实验的思维培养功能，才能让学生体会到物理学家对物理规律的发现过程。那么，如何提高演示实验的思维培养功能呢？笔者就此进行了思考和探索。

二、关于抽象实验在物理演示实验中的使用方法的思考

对于有些演示实验由于实验条件限制或实验现象不明显时，可以让学生采取用逻辑推理的形式得到实验结论，这能让学生更好地理解、掌握所学的物理概念和物理规律，提高学生的综合分析能力和逻辑思维能力。比如可以让学生只是设想一套实验装置和实验方法，辅助以一定的假设作为前提和出发点（采用已被大量事实所检验的物理规律或已被人们所普遍接受的物理理论和结论作为前提和出发点），按照一系列理论进行推演，给出实验过程和实验状态，并对实验结论的逻辑性或假设的合理性进行分析，得到有用的实验结论。相对演示实验而言，可以把这种让学生用逻辑推理的形式得到实验结论的逻辑思维实验方法定为抽象实验。抽象实验对于那些演示实验效果不显著或根本就无法进行当堂演示的实验有很好的补充作用。在高中新教材中虽然没有明确提出抽象实验的概念，但多次使用这种用逻辑推理的方法得出了实验结论。以下用实例说明抽象实验在高中物理新教材中演示实验上的应用。

三、抽象实验在高中物理新教材课堂演示实验中的实践

1.由伽利略的理想实验得出力不是维持物体运动的原因

由于斜面摩擦力对小球上升高度的影响，会使其上升高度减小，这是学生根据生活经验可以得出的正确结论。如果减少斜面摩擦力，则物体会上升得高一些。如图1所示。

图1

如果斜面没有摩擦力，则小球将上升到原来静止时的高度。如图2所示。

图2

如果此时减小第二个斜面的倾角，则小球的运动又会是怎样的？如图3所示，小球将在斜面上运动得远一些。

图3

如果倾角还继续减小，小球要达到同样的高度，将滚得越来越远。如图4所示。

图4

如果倾角减小到放平第二个斜面，如果第二个斜面无限长，小球将不可能达到原来的高度，所以就要沿水平面一直运动下去，如图5所示。由此得出结论：物体的运动不需要力来维持。

图5

实际上伽利略的理想斜面实验就是本文所说的抽象实验，而且伽利略的理想斜面实验也为我们展示了抽象实验实施的方法和程序。

2.电荷所受静电力与其电荷量成正比

研究电荷在电场的同一位置所受静电力与其电荷量的关系时，由于学校实验条件的限制，我们很难精确测定改变前后的电量，也很难精确测定改变前后电荷所受的静电力。在这种情况下，我们可以这样进行抽象实验：设电荷量为q的电荷在电场中的某一位置受到的静电力为F，如图6所示：

图6

现可以假设在电场中的同一位置放入电荷量为nq的电荷，如图7所示，则对nq这个整体进行分析可知，电场对其的静电力为nF，由逻辑推理可得到：电场强度一定时，电荷所受的静电力与其电量成正比。

图7

3.导体的电阻与导体的长度、横截面积的关系

要探究导体的电阻与导体的长度、横截面积的关系，可以让学生先对实验进行探究，得到实验规律，然后让学生假设一套实验装置进行抽象实验，由逻辑推理得到实验规律，并让学生比较两次实验的实验结论，这样可以启迪学生的思维，培养学生的能力。现对这一抽象实验说明如下：

一根长度为L，电阻为R的导体，可以看成是由n段长度同为l，电阻同为r的导体串联而成，如图8所示。由串联电路特点可知R=nr且L=nl，两式中n值是相同的，则由逻辑推理可得导体的电阻与导体的长度成正比。

图8

同理，一根横截面积为S，电阻为R的导体，可以看成是由n段横截面积为s，电阻同为r的导体并联而成，如图9所示。由并联电路特点可知R=■r且S=ns，两式中n值是相同的，则由逻辑推理可得导体的电阻与导体横截面积成反比。

图9

4.通电导体在磁场中所受的安培力与导体的长度及流过的电流的关系

在这个实验里，如果单纯利用学校现有的实验器材，则实验的难点是很难测定变化前后安培力的大小。一旦把学生已经接受的通电导体在磁场中受到安培力的事实作为前提，就可以让学生进行抽象实验得到结论。现对这一抽象实验说明如下：

保持导体流过的电流不变，保持所处位置的磁场不变，使导体长度加倍，如图10所示。对导体整体受力分析可知，其安培力也加倍，则由逻辑推理可得通电导体在磁场中所受的安培力与导体的长度成正比。

图10

保持导体的长度不变，保持所处位置的磁场不变，使流过导体的电流加倍，如图11所示。对导体整体受力分析可知，其安培力也加倍，则由逻辑推理可得通电导体在磁场中所受的安培力与流过导体的电流也成正比。

图11

5.研究原子核的组成

研究原子核是否具有复杂结构，可以从天然放射现象入手。那么天然放射现象如何能说明原子核可以再分呢？这在学校的实验条件下是根本无法当堂演示实验的。此时则可以通过抽象实验帮助学生理解原子核具有复杂结构这一知识。

放射性元素具有的放射性与放射性元素所处的物理状态和化学状态无关，即放射性元素无论是以单质形式存在还是以化合物形式存在，都具有放射性，其放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此放射性元素发出的射线与核外电子无关，也就是说，这些射线来自原子核，从而说明原子核具有复杂结构。那么原子核又是怎样组成的呢？卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，从氮核中打出了一种新的粒子，根据这种粒子在电场和磁场中的偏转，并测出了它的质量和电荷，确定这种新粒子就是氢原子核，叫做质子。此后人们用同样的方法从其他原子核中也都打出了质子，由此可以断定，质子是原子核的组成部分。那么原子核中是否只有质子呢？如果原子核中只有质子，那么任何一种原子核的质量与电荷量之比，都应该等于质子的质量与其电荷量之比。已知的物理事实是，绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的质量与其电荷量之比。由此推断原子核内可能还存在另一种粒子，后由查德威克通过实验证明了这种粒子的存在，这种粒子就是不带电的中子。

学生明白了原子核内存在着质子和中子这两种粒子，就会进一步提出：原子核内是否存在第三种粒子呢？这时可以引导学生思考：假设存在第三种粒子，那么这种粒子可能带电，也可能不带电。这种粒子如果带电，则粒子无论带何种电性都不能保证原子呈电中性；而这种粒子如果不带电，则这种粒子就可以归入中子。综上所述，原子核内不存在第三种粒子。

学生根据这些抽象实验，自然就可以理解原子核的组成。

四、抽象实验在课堂演示实验中的实施程序

笔者认为，抽想实验在课堂演示实验中的实施程序可以是这样的：

1.设想一套实验装置和实验方法；

2.采用已被大量事实所检验的物理规律或已被人们普遍接受的物理理论和物理结论作为抽想实验实施的前提和出发点；

3.按照物理理论进行推演，给出实验过程和实验状态，并对实验结论的逻辑性或假设的合理性进行分析；

4.得到有用的实验结论。

需说明的是，我们这里所讲到的抽象实验不是理想实验，更不是虚假实验。抽象实验能充分发挥学生的主观能动性，启迪学生的思维，充分体现物理实验的思维培养功能，让学生体会到物理学家对物理规律的发现过程，这是符合新课程理念要求的学生观及师生观。但抽象实验绝不能完全替代课堂演示实验，因为一个准备充分、实验效果显著的课堂演示实验，无疑对学生的视觉冲击、思维冲击都是比较大的，也一定会给学生留下较深刻的印象。而抽象实验则对于那些演示实验效果不显著或根本就无法进行当堂演示的实验有很好的补充作用。有些物理实验可以先让学生通过抽象实验得到结论，再让学生设计实物实验进行验证，这样可以让学生主动参与到实验过程中。

教师应根据实验演示的目的、实验演示的条件等因素灵活选择实施实物实验或抽象实验。

参考文献：

[1]郑淳，郭定和.高中物理实验课的有效教学策略探讨.中学物理教学参考.

[2]白小珍.高中物理小实验价值漫谈.中学物理教学参考.

[3]高中物理新教材课本及教学参考.