创新物理实验让物理学习回归本源——以“牛顿运动定律的综合应用”为例

黄 佳

(江苏省苏州第一中学校,江苏 苏州 215000)

牛顿运动定律及其应用在高中物理学习中有着非常重要的地位,它既是高一物理的重要知识点,也是后续学习物理知识的重要基础．而高一学生在运用牛顿运动定律解决问题时往往感到困难,对于实际问题中的牛顿运动定律的应用更是不知所措．本课例以创新物理实验为抓手,激发学生内驱力,引导学生关注解决实际问题,培养学生的逻辑思维和知识应用的能力．

1 创设情境,建立物理模型

情境之于知识,犹如汤之于盐．创设有效的教学情境是激发学生学习的内驱力,启迪学生思维、开发学生智力的重要途径,也是提高课堂教学有效性的重要手段．本课例首先提出需要解决的实际问题．

案例1.新房的墙体已建好,需要设计房顶的坡度,使下雨时落至房顶的雨滴能尽快地流下,请你帮助设计房顶的坡度?(设雨滴沿房顶下淌时做无初速度无摩擦的运动)．

对学生而言这是相对困难的实际问题,如何利用所学的知识来解决这个实际问题呢?这就需要启发学生如何把实际问题转化为物理问题,培养学生建立物理模型的能力．

雨水沿房顶斜坡流下,可以简化为物体沿光滑斜面下滑的模型,如图1所示,一个质量为m的物体放在倾角为α,高为h的光滑斜面顶端由静止下滑,求该物体滑到斜面底端的时间．

图1

2 提炼精髓,强化逻辑思维

在引导学生思考的同时,注重归纳总结应用牛顿运动定律解决问题的一般．即“4个什么”,即是什么物体;在什么力作用下;对什么参照系;做什么运动．

学生的解答过程如下:

那么,这个物理模型和房顶流水快慢问题如何联系起来?

图2

3 创新实验,激发探究精神

“百闻不如一见,百看不如一做．”物理是一门以实验为基础的学科,实验与探究能力也是高考物理考查的能力之一．物理的学习不应仅是满足于理论推导,还应让学生动手实践,设计创新实验．这里,笔者和学生一起自制了一个创新实验装置,如图3所示．装置中用光滑的钢丝代替了光滑的斜面,穿过钢丝的金属小球代替了斜面上运动的物体．装置中设置了3个不同倾角的轨道,比较小球运动的时间．

如此,让学生更加直观地体验到动手的乐趣,以及物理学习中物理实验的重要性．将创新实验和物理知识相融合,回归物理学习的本源,能激发学生的探究热情．

4 学以致用,引导知识的转化和应用

学生学习知识目的在于应用,同时应用知识解决问题是学生加深理解和巩固知识的重要方式,“应用”是指把已有的知识用于解决作业中或实际生活中的问题．

图4

案例2.在奥运会的精彩开幕式中,表演者手持各国国旗从体育场的圆周顶棚飞天而降动感壮观．他们静止站在圆周顶棚的不同点A、B、C、D、E、F沿光滑钢索滑到场地的P区表演,如图4所示．设顶棚的圆周平面与地面平行,下列关于各处表演者滑到P区所用时间的说法中正确的是

(A)A处表演者滑到P区所用的时间小于C处.

(B)F处表演者滑到P区所用的时间大于E处.

(C) 所有表演者滑到P区所用的时间相等.

(D) 所有表演者滑到P区所用的时间一定都不相等.

学生在解答这道题的过程中,可能会遇到两个困难．一是无法读懂题目中的情境,二是在转化实际问题的过程中按案例1中的等底斜面模型来解答．其实这道例题考查的是学生对原有知识的掌握,以及对原有知识的转化能力．

图5

图6

同时,这里的学生实验可由前面的实验装置来完成,只要改变摆放的姿势就好, 如图6所示．

5 升华主题,建立发散思维

将已经掌握的知识和规律创造性地运用到新的环境中,去探索未知的知识和规律．在物理课堂的教学中,要培养学生的知识迁移的能力,这种能力是创造性人才必须具备的基本能力,也是学生在物理学习的过程中从“学会”走向“会学”的重要一环．

图7

案例3.如图7所示,O点是竖直圆环的顶点,Oc是圆环的直径,Oa和Ob是两条不同倾角的弦．在Oa、Ob、Oc上置3根光滑的线,一质点自O点静止自由释放,先后分别沿Oa、Ob、Oc下滑,到圆环上的a、b、c3点,其时间关系

(A) 到a点所用的时间最短.

(B) 到b点所用的时间最短.

(C) 到c点所用的时间最短.

(D) 到a、b、c3点所用的时间一样长.

这个问题既不是等底光滑斜面模型,也不是等高光滑斜面模型,这就要求学生把前面学习的知识和规律进行迁移,发散思维来解决问题．

图8

为了激发学生的兴趣,先进行创新演示实验．实验装置如图8所示,用自行车轮的钢圈作为圆,光滑的钢丝作为弦,在弦上穿好带孔的钢球．在O点同时释放,观察3个小球的运动过程,可以发现3个小球同时到达．

图9

结语:本节课始终以培养学生学习物理的本质特性为首要目标,以牛顿运动定律的综合运用为契机,不仅要教会学生熟练应用知识分析和解决问题,还要求将其应用到实际问题中,培养学生学习物理的能力,为学好高中物理打下坚实的基础．