关注趣味物理实验的教学

卞昕文 王伟

摘 要：以选修课或校本课程为平台，如何充分利用实验资源，深入开展趣味物理实验的教学是一个值得关注的问题。文章从定性分析、定量解释、拓展探究三方面展示案例进行说明，以供参考。

关键词：趣味物理；实验；教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）12-0044-3

1 引 言

趣味物理实验资源的开发和应用日益受到重视，物理教师经常用趣味实验创设情境，制造奇妙的现象，激发学生的学习兴趣，达到更好的课堂效果。然而，趣味物理实验的教学并没有得到足够的关注，还有很大的发展空间。教师应该积极关注趣味实验中的物理知识，充分利用物理趣味实验的资源，进一步开展科学探究活动，开发校本课程，带领学生体会科学方法和过程。

2 定性分析实验现象

定性分析实验现象应该成为趣味物理实验教学最基础的知识要求。学生通常很容易被趣味物理实验的现象吸引，能够直观感受到这个现象中蕴含了哪方面的物理知识点，但不会深入剖析。教师要善于抓住契机，引导学生进一步思考，如何在具体的实验情境下应用物理知识定性分析，把充满知识的物理过程详尽、鲜活地呈现在学生面前。

案例1：小兔下坡

如图1所示，在一斜坡上放置一只玩具小兔，手松开后小兔双脚连续不断地分开、合拢，前后摇摆走下斜坡。

图1 小兔下坡

教师通常用重心和能量的知识解释这个实验现象，但没有具体分析下坡的物理过程。引导学生仔细观察玩具，就会发现小兔的两只脚中，只有后面一只是活动的。小兔下坡的动作是不断重复的，具有周期性。为了方便对其进行定性分析，可以将小兔头部处于最低点，到处于最高点，再到最低点的过程看作一个周期。

由实验现象可以推断出重心在小兔两脚之间，小兔头部处于最低点时，两脚并拢，前脚为支撑，重心在前脚后方，这使得小兔向后摆动，两脚尚未分开，此过程重力势能转化为动能，后脚着地作为支撑，前脚离地。在重力势能不能再减小时，由于惯性，小兔以后脚为支撑继续向后摆动，动能向重力势能转变，直到尾部与斜坡碰撞，速度变为零，此处因为非弹性碰撞会有能量损失，头部处于最高点。因为此时重心处于后脚前方，小兔会向前摆动，前脚随身体与后脚分开“向前迈开脚步”，重力势能转化为动能，直到前脚着地又作为支撑，可以活动的后脚由于重力作用自动向前脚并拢，在与前脚碰撞的过程中伴随着能量的损耗。在重心到达又一个极低点时同样由于惯性，小兔会以前脚为支撑继续向前摆动，动能向重力势能转化，直到头部再次处于最低点，动能全部转化为重力势能，回到周期初始的状态。在完成一步行走的过程中，不断减小的重力势能弥补了过程中的能量损失，如此循环往复，小兔会沿着斜坡一直走下去。

教师在定性分析实验现象时，要注意引导学生耐心地分析详细过程，这有助于提高学生的观察和思考能力。

3 定量解释实验结果

定量解释实验结果是趣味物理实验教学中对学生物理知识与能力的进一步提升。对具象的实验情境进行理论提炼，定量计算，再结合实际定量解释的过程使学生强化了对物理知识的理解，而且为学生搭建了理论和实验的桥梁。

案例2：哪个球滚得更快

如图2所示，有两个轨道的坡度和长度相同，但宽窄不同。将两个篮球分别在两个轨道上从同一高度同时释放，到达终点的时间是不同的。

图2 哪个球滚得更快

轨道上的篮球受到重力、支持力、摩擦力。重力竖直向下。两个支持力分别垂直于杆指向球心。摩擦力有两部分，一部分沿杆向上，一部分同时垂直于杆和球心与杆接触点的连线斜向上。在球无滑滚动的过程中，只有重力做功，支持力和摩擦力不做功，重力势能转化为动能。根据柯尼希定理，动能分为质心平动动能 mv 和绕质心轴的转动动能 Icω2。用Ek表示篮球的动能，两球下落同样的高度h，则有：

Ek=mgh= mv + Icω2

其中，m为篮球的质量，vc为质心的运动速度，ω为篮球绕质心轴转动的角速度，Ic为篮球对过球心转动轴的转动惯量。篮球的剖面图如图3所示，R为篮球的半径，将篮球看作一个薄球壳，则Ic= mR2。假设篮球在一平面滚动，并视为无滑滚动，质心速度和角速度之间的关系为vc=ωr。由于篮球是在两杆之间向下滚落，用2L表示两杆之间的距离（0

v =

从上式可以看出，当L越大，vc越小。即同时下落相同的高度，两杆之间的距离越大，篮球滑到底端时的质心速度越小，因为是匀加速，平均速度也越小，则所需要的时间越长；两杆之间的距离越小，篮球的质心速度越大，平均速度也越大，则所需要的时间越短。

为了验证理论的正确性，教师可以鼓励学生去测量轨道的长度、高度、宽度和篮球的质量、半径、下落时间，与理论进行对比。

4 探究实验的普遍规律

探究实验的普遍规律是趣味物理实验教学全面实现教学三维目标的契机。探究过程不仅要求学生对物理知识有一定掌握，而且要求学生作为独立的探究者，通过实验总结规律，建立理论，通过理论预测实验现象，然后用实验检验并修正理论。在经历科学探究的过程中，学生强化了对物理知识的掌握，学到了科学的方法，树立了严谨的科学观。在物理教材中有很多规律是通过实验探究得到的，学生对其非常熟悉，显得平淡无奇，课后探究新颖的趣味物理实验规律的形式更有助于学生在“过程与方法”“情感、态度与价值观”的层面上得到提高。

案例3：音棒中的驻波

用手指捏住一根铝棒的中点，敲击其中一端，听到响声由大变小，由混杂变单纯，持续时间长。或用手指捏住铝材中点的同时，另一只手抹适量松香粉沿同一方向不断摩擦铝棒，能听到纯正持久的响声。

这个实验的现象明显，刘炳昇和仲扣庄老师曾在《关注用物理知识分析和解决实验问题》一文中解释了该实验的原理[2]。物理教师还可以进一步拓展，测量声音的频率，通过理论推理建立驻波的模型，引导学生探究这个实验的普遍规律。

常见的驻波通常是由前进波与其在某界面的反射波叠加形成的，但不满足铝棒本征频率的波也不会形成驻波。在实验中，铝棒两端没有固定，可视为自由端，波在自由端界面处发生反射叠加形成驻波。教师可以引导学生猜测界面处为波腹，手指捏住的点为波节，据此建立相应的驻波模型。铝棒在实验中产生的既有基波又有很多谐波，其中基波频率最低，衰减最慢，持续时间长，从而判断最后听到的應该是基波频率。

在建立的驻波模型中，规定铝棒长度为L，波长为λ，波节数为N，则N=1，L= λ；N=2，L= λ；N=3，L= λ……L= λ。当N=1，波节在铝棒的 处；当N=3，铝棒的 、 、 处都是波节。

波长和频率的关系λ= ，所以基波频率与铝棒长度、手捏的位置之间应该满足：

f=

为了验证理论，教师可以引导学生将波节控制在铝棒的 、 、 、 、 处，使用长短不同的四根铝棒进行了多次实验，利用虚拟示波器测量频率，记录数据，结果将与理论值十分接近，从而得出普遍规律。

5 结束语

趣味物理实验资源十分丰富，学校的选修课是一个很好的平台，但趣味物理实验教学方面还没有得到足够重视。物理教师要善于充分利用趣味物理实验资源，全方面提升学生的知识和技能，让学生体会科学过程方法，培养学生严谨的科学态度和拓展求新的科学精神。如何更好地深入开展趣味物理实验的教学是一个值得关注的问题。

参考文献：

[1]漆安慎，杜婵英.普通物理学教程：力学[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2]刘炳昇，仲扣庄.关注用物理知识分析和解决实验问题[J].物理教学，2011，33（9）：26-29.

（栏目编辑 王柏庐）