在物理实验中注意捕捉“意外”的探究

丁德生

（江苏省兴化中学 江苏 泰州 225700）

实验中的“意外”现象时有发生.捕捉住这种“意外”并进行探究，会引起激烈的心理冲突，因为，“意外”的出现打破了思维的“惯性”，这种稍纵即逝的“意外”或“机遇”，作为宝贵的课堂资源可用来克服心理定势，构建新的概念，拓展新的认识特别有效.

在实验教学中“意外”时有发生.平时我们的同学在学习时往往涉及到过多的理想情况，如光滑斜面，电源内阻忽略不计，灯丝电阻不随温度而改变等等，接触多了也就成了自然，甚至想都不想，而实际不理想的因素却都是不可避免地存在着，“意外”也就不断出现了.处理“意外”，对教师既是一种挑战，又是一种考验.教师如果能很好的留意，发现其中的奥妙，因势利导，及时、巧妙地处理，挖掘探究的深度，能使学生点燃思维的“火花”，获得独特的感悟，往往能转化课中的亮点.实验中出现的各种各样的“意外”的分析与处理，不仅能更深入地了解实验思想，还能通过这些实际问题的解决，提高对实验条件及设计者煞费苦心的理解，甚至能设计出解决意外的巧妙方案，“意外”成了相当丰厚的课堂宝贵资源.下面呈现几个片断实录，仅供参考.

片断1：指针怎么不听使唤了呢？

用如图1所示电路测定电源电动势和内电阻.选用仪器如下：

（1）待测干电池2节；

（2）安培表0～0.6A，0～3A双量程；

（3）电压表0～3V，0～15V双量程；

（4）滑动变阻器0～50Ω；

（5）开关、导线若干.

图1

实验前设计好了数据表格，电流每间隔0.10A记录一组数据，数据记录表格见表1.

表1 电压表读数U－电流表读数I记录表

实验时“意外”出现了，滑动变阻器在调节时只集中在阻值小的一头很小范围内电流电压才有明显的变化，而在阻值较大时调到预设值有点难，电压表指针变化很小，不听使唤.“难道是仪器坏了吗？”

学生自言自语道.教师看了一眼发问道：“滑动变阻器调节的全过程都这样吗？”“不，只是出现在接入的阻值大的时候.”学生答道，“那说明与滑动变阻器接入电阻值有关，究竟是什么关系能确定吗？”教师给了同学一些启发.同学若有所思，应用U＝得到：当Rr时，U≈E，此时调节R时U几乎等于电源电动势，变化很小.

这正是实验中的“意外”，原来是实验时滑动变阻器选大了.将滑动变阻器换成小点的阻值为0～20Ω，一切都与预想的一样，操作也方便，很快就得到了该测量的数据.有一个同学又提出一个问题，“前面的问题是滑动变阻器阻值选大了，如电源内阻较大也就不会出现这样的意外了，难怪有的课外讲义讲实验时选用内阻更大的旧电池效果更好些，那么能否‘增加电源内阻’使实验进行下去呢？如新电池通过串联一只已知电阻来实现.”说干就干，拿一只5～10Ω的定值电阻与电池串联，而不调换滑动变阻器，实验调节时指针同样的稳定，作出的图线也与预想一致，减去串联的电阻值，测出的电池的电动势和内阻值与前面测出的吻合得很好.“原以为用滑动变阻器调节能变就行，想不到它的数值对实验影响这么大，实验设计太有学问了.”课后有同学感慨道.由于实验的“意外”竟能使学生理解得这么深刻，到使老师感到有点“意外”了.

片断2：曲线怎么不过原点呢？

“同学们，今天我们课上进行探究做功与物体速度之间的关系，先进行理论探究，再进行实验验证，实验装置如图2……”通过理论探究同学们已得出了做功与物体速度之间的关系，也明白了利用相同橡皮筋形变相同，做功相同的巧妙设计，解决了橡皮筋的功难以计算的问题，同学们被精彩的设计深深一打动了，“哇，太精妙了！”一下子积极性被充分地调动起来了，一个个怀着满腔的热忱全身地投到接下来的实验中去，一会儿数据就测出来了，作图验证速度与做功的关系，但结果似乎有点“意外”.

（1）数据点v2－W图像的线性有点差（如图3），有好几个点与一直线相距甚远.

（2）图线不过原点，且相距较远.

图2 探究物体做功与速度关系的实验装置

图3

对于第一种情况还可用计算误差，橡皮筋的差异来勉强解释.第二种情况小车每次都由静止释放没有力做功时应该不能获得速度，直线应过原点，且大多数同学都这样，这不是偶然的.吸取上次实验教训同学们一开始就从被忽略的因素上找原因.“摩擦力”大家几乎异口同声地说道.以前自以为小车与平板间是滚动摩擦可以忽略，现在看起来要重新评估了.给小车一个初速度，果然运动不太远速度就明显减小了，看来摩擦力的影响不得不考虑了，那么考虑摩擦力影响如何处理呢？不一会同学们讨论出两个解决的方案：

（1）测量摩擦力计算做功，但这一方案一方面由于橡皮筋的弹力是变力，橡皮筋恢复形变时小车的速度已经过了最大值（速度最大时弹力与摩擦力平衡），所以从纸带上很难确定橡皮筋恢复形变时小车的位移，计算功更难；另一方面涉及的物理量太多误差难以控制（点评：学生现在已能够从实验的实际情况考虑实验设计了，教师很欣慰）.

（2）“回避”即平衡摩擦力，相比第一种此方案既简单又准确，至此同学们对不同方案对实验的影响体会更深了，牛顿第二定律平衡摩擦力的好处也更加明白.很快“平衡摩擦力”的实验设计被“移植”过来了，调节好倾角，不一会实验就做好了，当然结果也可想而知了.

片断3：奇怪的伏安曲线

描绘小灯珠的伏安曲线实验：

（1）小灯泡（3.8V，0.4A）；

（2）安培表0～0.6A，0～3A双量程；

（3）电压表0～3V，0～15V双量程；

（4）滑动变阻器0～50Ω；

（5）开关、导线若干；

（6）电源电动势约4.5V.

按如图4电路将滑动变阻器接成分压式，调节滑动变阻器按预定表格记录数据.选择测量点.电压每隔1.0V测一组数据 （见表2）.

图4

表2 电压表读数U－电流表读数I记录表

按数据在坐标纸上画出对应点如图5所示.几个点几乎在一直线上，趋势与原点相差甚远，曲线欲过原点在0～1V之间必有一明显的弯曲，这一点附近的数据点的变化对曲线有很大的影响.而1～6V之间即使减少一两个数据点却对描绘图线的形状影响不大.于是有同学提出改进的方案：电压值不必等间隔地选取，起始段和弯曲程度较大的部分间隔要小，使数据点密一些，其后较平直的部分间隔可以大些，这样既能保证实验的准确性又能够提高实验效率.根据这一原则几个头脑灵活的同学立即进行了补救，然而“意外”也同时出现了.汇总起来有两种类型的问题：

图5

（1）如图6出现两个不重合的伏安曲线，难道同一灯泡伏安曲线不唯一？

图6

（2）插入的点偏离原曲线太大，甚至有点跳跃如图7.

图7

面对“意外”教师反问了一句：“我们想要得到的伏安曲线不也是弯曲的嘛，那么什么原因导致了弯曲呢？”“温度变化引起的呀”，“难道问题还出在这温度上？”教师没有正面回答.同学们开始讨论了，你一言我一语探讨着出现“意外”的原因，那种投入的专注、讨论的积极、场面的激烈无一不反映浓浓的探究氛围.不一会就达成了共识，恰恰就是温度的变化引起的，原来第一次实验时电流由小到大调节灯丝温度上升有一时间的延迟，第二次实验电流是由大到小调节灯丝温度下降也有一时间的延迟，相对第一次实验相同的电流第二次的温度较高，灯丝电阻大分得电压也自然较大，第二次的数据点在第一次的上方.很快同学们也找到了另一无规则图线的原因，原来是为了在图线弯曲最明显地方再添加数据，使图像更准确.中途大幅改变电流是由于温度的延迟引起数据的不连续.从头按次序按要求再做一次实验，漂亮的曲线出现了，多么完美的结果呀，同学们脸上露出了灿烂的笑容.

绝大部分划时代的发现，或多或少都是因为意外作出的.虽然从选题、实验设计、构思，一直到对获得的经验材料加工整理，都有明确的目的性和计划性，但是，这一切都不是绝对的，一旦出现与已有范式不相容的事实，就构成科学活动中的“偶然”，本来研究此现象，却意外地发现了彼现象；为某个问题所困扰、百思不得其解，却因为另一个意外的事件提供了有希望的线索而豁然开朗，开辟了发现的坦途.正因为此，人们把观测和实验中导致发现的、出乎意料的现象或事件，称为机遇.教学是个动态系统.学生的思维是活跃的，他们不可能按教师预先设想的同一思维轨道运行.课堂气氛越是活跃，学生越勤于思考，出现的“意外”就会越多.苏霍姆林斯基说过“教育的技巧并不在于我能预见到课的所有细节，在于根据当时的具体情况，巧妙地在学生不知不觉之中做出相应的变动.”冷静、机智、妥善地处理意外情况，把握每一次机遇不仅可以使教学收到意想不到的效果，而且表现出教师在处理问题上的聪明才智，使学生亲身感受到课堂教学所独具的魅力，从而增强学生学习的兴趣和积极性.

法国著名微生物学家巴斯德曾经说：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑.”教师应当注重培养学生敏锐的洞察力，掌握丰富的准备知识，简单地说，就是要让他们的头脑作好准备，对客观事件的进程和事件丰富多彩的现象时刻保持警觉，一旦机遇出现，就认出它，从中找到解决问题的线索.面对意外（甚至在教学过程中有意识地制造意外）教师不应拘泥于预设的教学流程，而应独具慧眼，让师生在宽松和谐、互动合作、情趣横生的空间里展示心灵的对话，引导学生及时捕捉线索，抵制心理和落后势力的阻挠，抓住线索，追根究底，弄清真象，作出科学解释，实现机遇的转化.在传授知识的同时注重培养学生保持对意外事物的警觉性，在对细小线索注意中取得新发现的同时培养学生的科学精神，为学生今后的发展进行知识和能力的储备，只有这样，课堂才是活的，教学才是最完美的，教学活动也才是最有价值的.

1 刘大椿.科学哲学（第1版）.北京：人民出版社出版，1998.62