培养初中生物理模型建构意识的滑轮实验设计

张永明

摘 要：物理模型建构意识是中学生物理核心素养的重要内容，对学生的学习和生活具有积极影响。在初中物理课堂中，使用滑轮实验为学生营造真实情境，帮助学生理解滑轮模型的基本特点，进而使学生体验模型建构过程，理解模型建构的重要意义，形成主动建构模型的意识。

关键词：模型建构;滑轮模型;实验设计

【中图分类号】G【文献标识码】B【文章编号】1008-1216（2019）10B-0086-02

中学生物理核心素养越来越被教育者们重视，中学生物理核心素养是指，中学生通过物理课堂教育形成的正确价值观、必备品格和关键能力。培养中学生的物理核心素养有助于学生创新创造，更好地在社会上生存。中学生物理核心素养要求学生具有科学探究的能力，科学探究的重要一步包括模型建构，培养初中生的物理模型建构能力首先要让学生具有模型建构的意识。可见，在初中物理课堂教学中培养学生的物理模型建构意识具有重要意义。

物理模型是为了理解、解释或解决问题，对实际问题或实际情境的抽象与概括，是解决问题的重要方法。物理模型主要包括，对象模型、过程模型、条件模型。物理模型来源于实际问题和情境，初中生物理模型建构意识的培养也应该依赖于实际问题和情境，物理教学实验可以为学生提供真实的情境，学生通过对实验现象的感官体验和自我思考，发现、理解、解释、解决问题。

滑轮是初中物理继“力、运动、能”之后的重要内容，是对之前学习内容的综合应用，滑轮属于简单机械，包括定滑轮、动滑轮和滑轮组，滑轮模型属于条件模型，常会忽略滑轮与绳的摩擦、绳重、滑轮重力等因素建构滑轮模型。对于滑轮模型的认识，不少学生将之混为一谈，分不清楚不同模型之间的差异。

笔者通过长期实践发现，通过物理实验为学生营造真实的情境，将真实的滑轮及滑轮组一步步理想化为滑轮模型，帮助学生从本质上认识滑轮，理解滑轮模型的建构过程，从而培养其通过模型建构解决问题的意识，完善其物理思维。

一、实验设计内容

（一） 定滑轮

定滑轮是轴固定不动的滑轮。为了研究定滑轮特点，采用轻质滑轮1个，滑轮架1个，棉线1根，50cm直尺1个，50g～200g勾码1组，力传感器1个。具体的实验步骤与实验现象为：（1）搭建实验器材，将轻质滑轮固定在滑轮架上，将棉线绕于滑轮上;（2）棉线的左端悬挂150g勾码，右端悬挂200g勾码，发现200g勾码一端落于水平面上，150g勾码被吊起，如图1.1所示;（3）将右端200g的勾码减重至150g，此时棉线两端的勾码均被吊起且与水平面相对静止，如图1.2所示;（4）将左端勾码向上移动10cm，发现右端勾码向下移动10cm;（5）将右端勾码取下，将右端棉线与力传感器相连，如图1.3所示，通过拉动力传感器使左端砝码悬空静止，此时通过计算机采集力传感器数据;（6）用力传感器直接测量左端勾码悬空时的受力情况，力传感器两次采集数据如图1.4所示。

由上述步骤⑴～⑶可以定性的看出，定滑轮不会改变力的大小和沿力方向通过的距离，但可以改变力的方向。由步骤⑸和⑹所得数据可以定量的看出，当定滑轮悬挂1.5N的重物时，拉力的大小约为1.35N，略小于物重，这主要是因为滑轮和棉线之间存在摩擦，而且棉线的重力也会对实验结果产生影响。

基于以上实际情况，在忽略滑轮与棉线之间的摩擦、忽略棉线的质量的情况下，建立理想的定滑轮模型，定滑轮模型的特点为：不省力也不费距离，但可以改变力的方向，定滑轮属于等臂杠杆。

（二） 动滑轮

动滑轮是轴随被吊物体一起运动的滑轮。利用定滑轮实验器材，继续研究动滑轮特点。具体的实验步骤与实验现象为：（1）搭建实验器材，将棉线左端与滑轮架连接并固定，将滑轮置于棉线上，滑轮下与150g勾码相连，用手提拉棉线右端;（2）将勾码向上移动10cm，发现右端绳子末端向上移动了20cm;（3）将右端棉线与力传感器相连，沿竖直向上方向拉动力传感器，如图2.1所示，当砝码悬空静止时利用计算机采集力传感器的数据;（4）用力传感器直接测量勾码悬空时的受力情况，力传感器两次采集数据如图2.2所示。

由上述步骤（1）和（2）可以定性的看出使用动滑轮提升勾码，当有两段绳子与动滑轮相连时，沿拉力方向移动的距离是勾码运动距离的两倍。由步骤（3）和（4）所得数据可以定量的看出，当利用动滑轮提升重力为1.5N的勾码时，拉力的大小约为0.9N。对勾码受力分析，为了观察规律，将滑轮和勾码视为一体，统称悬挂物，受力图如2.3所示，悬挂物受重力和两段绳子的拉力，这三个力使悬挂物处于静止状态，即三力平衡，所以两段绳子共同的拉力大小等于悬挂物所受重力，又因为两绳子方向均沿竖直方向，所以两绳子的拉力分别应为悬挂物重力的一半。但是实际情况却是0.9N，远大于勾码重力的一半即0.75N。这是因为实际情境中滑轮具有一定的质量，而且棉线也有质量，棉线与滑轮之间有摩擦力，使得测量数据偏大。

忽略滑轮的质量、棉线的质量、滑轮与棉线之间的摩擦，建立理想的动滑轮模型。动滑轮模型的特点为：当连接动滑轮的绳子段数为两段时，省一半的力，多费一倍的距离，而且不改变力的方向，动滑轮属于省力杠杆。

（三）滑轮组

在研究动滑轮特点时，由于棉线一端固定，且动滑轮不改变力的方向，所以棉线另一端的拉力向上，不利于定性的观察动滑轮特点。在此基础上为该实验加入一个可以改变力的方向的定滑轮，而人们将动滑轮和定滑轮的组合称作滑轮组。

为了研究滑轮组与动滑轮、定滑轮的联系与差别，进一步设计实验，具体的实验步骤与实验现象为：（1）在上述动滑轮的实验装置中加入一个定滑轮，组装为滑轮组1，动滑轮悬挂300g勾码，连接定滑轮的棉线右端悬挂150g勾码，發现300g勾码落于水平面上，150g勾码被悬于空中，如图3.1所示;（2）在150g勾码上加重约15g的配重，将观察到300g勾码悬空，如图3.2所示;（3）将勾码向上移动10cm，发现右端棉线向下移动20cm;（4）将棉线右端的150g勾码和配重取下，并连接力传感器，如图3.3所示，待动滑轮上的勾码静止时，记录力传感器数据，接着用力传感器直接测量勾码重力，测试结果如图3.4所示;（5）更改滑轮组连接方式如图3.5，称为滑轮组2，动滑轮悬挂300g勾码，通过定滑轮的右端绳子连接力传感器并测量拉力，将勾码向上移动10cm，发现右端棉线向下移动20cm;（6）更改滑轮组连接方式如图3.6，称为滑轮组3，动滑轮悬挂300g勾码，通过定滑轮的右端绳子连接力传感器并测量拉力，将勾码向上移动10cm，发现右端棉线向下移动30cm，接着用力传感器直接测量勾码重力，步骤（5）、（6）的测试结果如图3.7所示。

步骤（1）～（4）进一步验证了动滑轮的特点。滑輪组结合了动滑轮和定滑轮的共同特点，可以通过其中的定滑轮改变拉力的方向，通过动滑轮减小拉大的大小。将步骤⑷所得数据与步骤（5）、（6）的数据对比发现，滑轮组可以改变拉力的方向。拉力的大小与动滑轮连接绳子段数有关，与动滑轮和定滑轮的相对位置无关，由图3.4和3.7可见勾码重3N，连接动滑轮的绳子段数为2段时，拉力的大小均约为1.6N，略大于勾码重力的一半即1.5N，连接动滑轮的绳子段数为3段时，拉力的大小均约为1.1N，略大于勾码重力的三分之一即1N。若忽略滑轮重力、绳重、绳与滑轮的摩擦力，通过受力分析可以发现连接动滑轮的绳子段数为2段时，拉力的大小为勾码重力的一半，连接动滑轮的绳子段数为3段时，拉力的大小为勾码重力的三分之一。沿拉力方向移动的距离也与连接动滑轮的绳子段数有关，段数为2时，拉力方向移动的距离是勾码上升高度的2倍，段数为3时，则为3倍。

忽略滑轮的质量、棉线的质量、滑轮与棉线之间的摩擦，建立理想的滑轮组模型，滑轮组模型集动滑轮和定滑轮的特点于一体，当连接动滑轮的绳子段数为n段时，拉力的大小为物重的1/n，绳沿拉力方向移动的距离是物体提升高度的n倍，并且可以改变力的方向。

二、结论

1.通过物理教学实验培养初中生的模型建构意识，要将实际情况呈现给学生。学生日常经验来源于实际生活，对实际情境有着更多的体验和认识，在此基础上开展教学，简化条件，建构物理模型，促进问题解决，有利于激发学生建构模型的兴趣和意识。

2.通过物理教学实验培养初中生的模型建构意识，要将模型建构与理论推理相结合。物理模型常常是理想化的模型，在真实体验的基础上，要结合想象，合理推理，建立具有普适性的物理模型，辅助某些特定问题或一类问题的解决，因此在培养初中生模型建构意识时要考虑学生推理能力的发展水平。

3.通过物理教学实验培养初中生的模型建构意识，要在模型建构的过程中体现知识之间的内在联系。知识间本就存在着内在的关联，在模型建构的过程中要依据逻辑层次，合理的进行建构，教学要符合学生最近发展区的规律特点，保证初中生高效地掌握模型建构规律，发展其主动建构模型的能力和意识。

4.通过物理教学实验培养初中生的模型建构意识，要重视学生对实际情况转化为理想模型这一过程的情感体验。不少教师在教学中忽视知识建构“过程”的教学，物理模型建构意识的培养依赖于学生对模型建构过程的体验，学生经历模型建构的过程，有利于理解模型建构的深层含义，认识到模型建构的重要性，养成模型建构的意识。

参考文献：

贲可敬.以课堂转型促核心素养培育——以初中物理教学改革为例[J].江苏教育，2019，（3）.