精心设计实验 化解教学难点

李如虎

摘 要：巧妙设计一个好的实验，对化解学生的学习难点，在学生头脑中建立起正确的物理概念、物理图景，使学生正确理解物理规律往往可以起到画龙点睛的作用。本文仅举两个在教学中使用过的例子，说明只要我们“精心设计实验”，就可“化解教学难点”。

关键词：化解难点；电容器；电容量；沙摆；简谐运动的图像

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）5-0075-3

在中学物理教学过程中，经常遇到这样的情况：有些问题无论老师怎样强调，无论做了多少练习，学生还是容易出错。究其原因，还是教师没有能够帮助学生建立起正确的物理概念，或者没有能够让学生对物理规律有深刻地了解。而设计一个巧妙的实验，对化解学生的学习难点，在学生头脑中建立起正确的物理概念、物理图景，使学生正确理解物理规律往往可以起到画龙点睛的作用。本文仅举两个在教学中使用过的例子，说明只要我们“精心设计实验”，就可“化解教学难点”。

1 巧做电容器实验，破解电容器教学难点

在进行电容器的教学时，我们发现学生经常会出现这样的问题：“电容器是什么？”“电真的装入电容器了吗？”“电容器装的电多，电容量就大；电容器装的电少，电容量就小；电容器不带电，电容量就为零。”等等。特别是这个电容量问题，不论进行怎样的练习与训练，学生还是很容易出错。于是，在进行电容器的内容教学时，设计了一个电容器充、放电的实验，让学生在意想不到的震撼中，产生了学习兴趣，学会了科学知识，取得了很好的教学效果。具体做法是这样的：

首先，给学生出示一个透明的空茶杯，容量200毫升，并且告诉学生这个茶杯的容量是200毫升。这时问：这个空茶杯的容量是200毫升，表示什么意思？

学生：这个空茶杯的容量是200毫升，表示这个茶杯可以装入200毫升的液体。

问：如果我在这个茶杯中倒入200毫升的水，这个茶杯的容量是多少？

学生：是200毫升。

问：如果我在这个茶杯中倒入100毫升的水，这个茶杯的容量是多少？

学生：还是200毫升。

问：如果我在这个茶杯中倒入10毫升的水，这个茶杯的容量是多少？

学生：仍然是200毫升！

结论：不论这个茶杯是装满水的，还是空的；不论往这个茶杯中倒入了多少毫升的水，这个茶杯的容量都是200毫升，与装入多少液体没有关系！

这时，出示一个“25 V，3300 μF”或“50 V，2200 μF”电解电容器（将电容器的两个脚焊接上了一段较长的连接导线），告诉学生：我这里给大家看的这个东西也是一个容器。这时停顿一下，让学生仔细看看，学生觉得奇怪，因为他们还是想着装液体的事。这个东西没有口，液体怎么装进去呢，它怎么可能是一个容器呢？

这时告诉学生：这不是一个装液体的容器，而是一个装电的容器。正因为它是一个能够装电的容器，所以我们叫它“电容器”。这时，学生将信将疑，笔者进一步卖关子：“它真的能装电吗？怎么将电装进去呢？”

演示：将这个电解电容器与实验电源“直流，24 V”连接一下（注意正负不要接错，碰一下即可），告诉学生老师已经将电装到电容器里了。

学生这时还是将信将疑，因为不像水装入茶杯那样可以看见，这里是看不见的。然后，通过放电实验让学生看到，电确实被装入了电容器。

演示：将这个带了电的电容器的正负连线碰一下，只听“嘭”的一声，并且伴随着电火花的闪现，给学生带来了极大的听觉和视觉刺激，使他们确信电确实被装入了电容器。

这时再问：如果这个电容器接在16 V的电源上，或者给它装了它容量一半的电量，或者没有装电，它的容量与装满电量相比，有什么区别吗？

学生由茶杯装水的类比得到启示：没有区别，不论它有没有装电，还是装电多少，电容器的容量是由它本身决定的，与装入电量的多少以及电压的高低都没有关系！

至此，不仅在学生头脑中建立了电容器的概念，更重要的是破解了“电容器的容量与带电量和电压的高低没有关系，只跟电容器本身有关”这个历届学生都一直要犯错误的问题。

2 做好沙摆实验，破解简谐运动图像的教学难点

在讲解简谐运动图像时，学生经常会出现下面一些问题：

①看到图像是正弦（余弦）曲线，往往在回答问题（考试或做习题）时，就认为做简谐运动物体的运动轨迹是正弦（余弦）曲线；

②横坐标轴的物理意义不清楚；

③不会从简谐运动图像上看出速度（加速度）的大小、方向；能量的大小、关系等等。

在用沙摆演示简谐运动图像的实验时，以往都是在做简谐运动的沙摆下面，沿着垂直于沙摆摆动的方向拖动一个长木板，于是在长木板上就留下了沙子的痕迹，得到了沙摆做简谐运动的图像。并告诉学生简谐运动的图像就是这个样子的，是正弦曲线。这样做虽然得到了正确的结果，但是教学效果并不好。

笔者在教学过程中，带着问题意识进行教学，对实验进行了改进，将实验设计成了以下几个问题：

（1）在做简谐运动的沙摆下面，沿着垂直于沙摆摆动的方向放置一个长木板，让长木板静置于原地，这时摆动的沙摆漏下的沙子，在静置于其下方的木板上留下的沙子在纸上呈一直线，并且中间细、两头粗。

问：从实验现象中看到了什么？

学生：看到了成一条直线的两端高，中间低的一堆沙子。

问：从刚才的实验，可以看到在摆动角度小于10 °的情况下，沙摆的运动轨迹是什么？

学生：看到了沙子在一条直线上，这说明了沙摆的运动轨迹是直线（单摆运动弧线很小的时候，近似是直线；弹簧振子的轨迹则正好是直线。这样就避免了学生将简谐运动的位移-时间图像当成做简谐运动物体的运动轨迹的错误）。

（2）仔细想一下，这堆沙子两端高，中间低说明了什么？

学生1：两边多，中间少，表明振子在两边时速度小，所以漏的沙子多；振子在中间时速度大，所以漏的沙子少。

学生2：关于中心对称，表明振动幅度相等。

（3）可以从能量的角度进一步说明能量的转化关系吗？

学生：振子在两边时速度小，动能小，势能大；振子在中间时速度大，动能大，势能小。

（4）从刚才的实验漏下的沙堆中，你能确定振子在某个位置漏下的沙子的时刻吗？

学生：不能。因为在振动过程中，在同一位置的时刻有很多，所以无法确定。

（5）有什么办法能将沙摆什么时刻，在某个地方漏下的沙子区分开呢？

学生：在沙摆做简谐运动的同时，匀速拖动木板，于是在木板上就会留下一条正弦曲线形状的沙子的痕迹。这样就能将沙摆什么时刻在某个地方漏下的沙子区分开了。这个痕迹实际上就表示了做简谐运动的沙摆的位移-时间关系图像。

（6）在木板上这条正弦曲线中间画出一条直线，这条直线有什么含义？可以表示什么？

学生1：表示做简谐运动的沙摆的平衡位置。

学生2：表示运动时间，因为木板是匀速运动的，所以在其运动方向上的相（下转第80页）（上接第76页）同长度表示了相同的时间。（这就说明了时间轴的来历）

经过这样的问题设计，既培养了学生的问题意识，可以帮助学生形成多问为什么的习惯（润物细无声），又可以更有效地将问题解决掉，使学生获得正确的、理解了的知识。还很容易避免了以前学生经常将简谐运动的位移-时间关系图像（正弦曲线）当成是简谐运动的轨迹的错误。

这里举的两个例子，是笔者在教学过程一直使用的，多年来的实践证明教学效果非常好。这正说明了在教学实践中我们只要动脑筋设计好实验方法、环节，注意利用学生的直观形象思维，就能化解教学中的难点，起到事半功倍的作用。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理·选修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]张宪魁.实施物理科学方法教育的策略谈[J].物理教学探讨，2014，（1）：1.

[4]周建华.电容的探究式教学研究[J].物理教学探讨，2014，（1）：1.

（栏目编辑 邓 磊）