物理习题教学实验化的途径与案例分析

汪路斌 马亚鹏

(1. 银川一中，宁夏 银川 750001； 2. 银川九中，宁夏 银川 750011)

物理习题教学有助于巩固、深化和活化知识，增进学生的物理问题解决能力.然而，教学实践中能够见到的多数的物理习题，在编制上多有不足，主要表现在习题设计脱离实际，甚至存在为编制试题而设计虚假物理过程的现象，不符合物理学以观察(实验)为基础的特点.为改进习题教学的上述弊病，有学者提出了物理习题教学实验化的观点，并对其意义展开了研究，也有研究者依据建构主义学习观和认知心理学理论给出了物理习题实验化的理论依据，界定了物理习题教学实验化的概念，给出了设计原则.对于物理习题教学实验化的具体途径的讨论还略显单薄.为此，笔者在教学实践中通过运用真实物理实验、仿真实验和数学分析软件3个途径优化了习题教学，通过物理习题教学实验化促进学生在科学思维、探究精神、实践意识等方面的能力得到有效的提升.

1 利用真实物理实验检验解题结果

通常在习题教学时，教师往往根据物理理论和方法对问题进行推理论证，形成合理的解释.这对学生的思维发展大有裨益，但其缺点也是显而易见的：一是学生因缺乏相应的感性认识导致学习困难； 二是学生对解题结果缺乏直观的信任感.为此，就需要利用真实实验检验解题结果，通过实验强化论证过程.

例1.电子技术中，

从某一装置输出的交流常常既有高频成分，又有低频成分.如果只需要把低频成分输送到下一级装置，可以在下一级电路的输入端并联一个电容器，如图1所示.这样，进入下一级的高频成分就很少了.这种电容器叫做高频旁路电容器.说一说，这个电容器怎样起到高频旁路的作用.

图1

本题来源于人教版选修3-2的第5章第3节电感和电容对交变电流的影响问题与练习第3题.考查高频旁路电容器通高频阻低频的作用.常规的理论分析往往枯燥且学生不易理解，为此，我们设计了一个实验进行检验.

图2

如图2所示，用电脑或手机播放音乐产生高低频混合的电流信号，用耳机线导出信号连接到喇叭上，分别观察给喇叭并联上电容器前后喇叭播放的音乐有何不同.结果发现并联上电容后，声音瞬间变微弱.这一结果有助于学生理解一部分高频信号通过了电容器，很少的一部分低频信号通过喇叭，通过喇叭的信号携带能量较少，所以声音变弱了.由于并联电容后声音很小，不能辨别播放的音乐有没有因部分频率信号的损失而失真.为了解决这一问题可以将小喇叭换成有功放的音响继续探究.

例2.对于分运动与合运动的习题，给出两个互相垂直方向的分运动，画出物体真实的运动轨迹.学生的日常生活中很少接触到这种复合运动，即使有也很少有学生留意到，有较深的体会.为了给学生以丰富的真实的体会，制作了“运动的合成与分解实验仪器”，如图3.采用废旧录音机里的传动装置与窗帘导轨配合，电动机转动拖动玻璃管水平方向做匀速直线运动，关掉电源挂上钩码拖动玻璃管水平方向做匀加速直线运动.竖直方向玻璃管中浮子在最初很短一段时间做加速度减小的加速运动，很快便做稳定的匀速直线运动.学生在反复观察中对合运动有了直观的感知，为进一步的理论分析打下坚实的基础.

(a) 结构示意图

(b) 实物图

例3.在对“单晶体有各向异性”这句话判断时，学生有很大的疑惑，甚至是怀疑，形状规则，密度均匀的单晶体物理性质竟然会因方向而有差异.要让学生对此深信不疑，就需要实验的支撑.如图4所示，依次对比了云母片与玻璃片在导热性能上的差异，云母片上烛蜡熔化呈椭圆形，玻璃片上呈圆形；方解石与玻璃砖光学性能的差异，透过方解石看到一条线的像有两个，一束激光透过的光点有两个，透过玻璃砖看到的像只有一个，光点也只有一个；方铅矿与铁块导电性能差异，测方铅矿两个正交方向的电阻率，电阻率不同，铁块的两个正交方向电阻率相同.通过3组实验给学生以强烈的视觉、思维冲击，留下不可磨灭的印象，单晶体各向异性这一结论将永远印刻在脑海中.

图4

2 利用虚拟仿真实验模拟习题情境

有些习题的情境与过程用真实物理实验呈现出来有困难，可以借助虚拟仿真实验展开模拟，虚拟仿真实验模拟有助于给学生呈现出清晰的物理图景，增强直观的感性认识.

图5

例4.如图5所示，在光滑水平面上放着质量分别为m和2m的A、B两个物块，现用外力缓慢向左推B使弹簧压缩，此过程中推力做功W.然后撤去外力，则

(A) 从开始到A离开墙面的过程中，墙对A的冲量为0.

该题考查动量守恒定律与能量知识，运动过程复杂，绝大多数学生分析不出A,B物体的运动情境，有一定的难度.用仿真实验室软件就可以直观地观察到A,B两物体的运动情景，如图6所示.主要的制作步骤有：(1) 使用“直线轨道”工具搭建小球运动的水平地面和竖直墙壁，在属性里调整水平轨道的坐标参数使得轨道水平且较长；(2) 使用“运动对象”工具产生两个小球，在属性中设置小球的颜色及大小以便于观察，设置两小球的质量分别为1 kg、2 kg以满足m和2m的题设条件；(3) 选择“连接弹簧”工具将两小球拴接起来，并放置于于水平轨道上；(4) 在菜单栏“设置”中设置考虑重力作用，考虑运动对象间的碰撞；(5) 用鼠标拖动右边的物体使弹簧处于压缩状态，点击“运行”即可模拟物体的运动.运动的情景好像一只“毛毛虫”在向前爬，这一生动的情景对学生理解问题大有裨益.

图6

图7

例5.如图7所示，ABCD是两面平行的透明玻璃砖，AB面和CD面平行，它们分别是玻璃和空气的界面，设为界面Ⅰ和界面Ⅱ，光线从界面Ⅰ射入玻璃砖，再从界面Ⅱ射出，回到空气中，如果改变光到达界面Ⅰ时的入射角，则

(A) 只要入射角足够大，光线在界面Ⅰ上可能发生全反射现象.

(B) 只要入射角足够大，光线在界面Ⅱ上可能发生全反射现象.

(C) 不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象.

(D) 不管入射角多大，光线在界面Ⅱ上都不可能发生全反射现象.

该题考查光的全反射，难度不大.但画光路图只能画出有限的几个角度，用NB虚拟实验室可以实现多角度的旋转，如图8所示，非常全面地展示了不管入射角多大，光线在界面Ⅰ上都不可能发生全反射现象.

NB实验室的操作非常简单，选择器材进行合理摆放，然后开始实验即可，具体步骤有： (1) 选择DIY实验，进入DIY界面； (2) 选择“光学”，可挑选光学仪器； (3) 选择玻璃砖、激光笔、量角器，摆放到合理的位置； (4) 打开激光笔，旋转激光笔观察光线.

图8

3 利用数学分析软件定量分析

还有些物理习题，定性地分析不足以得出令人信服的结论，又由于高中学生数学基础有限，无法从更高的高度得出定量的结果.为此，教师可以运用Matlab、几何画板等数学分析软件展开定量分析，得出正确的、有说服力的结果.

图9

例6.如图9所示，质量相同的木块A、B用轻质弹簧连接.静止在光滑的水平面上，此时弹簧处于自然状态.现用水平恒力F推A.则从力F开始作用到弹簧第一次被压缩到最短的过程中

(A) 弹簧压缩到最短时，两木块的速度相同.

(B) 弹簧压缩到最短时，两木块的加速度相同.

(C) 两木块速度相同时，加速度aA

(D) 两木块加速度相同时，速度vA>vB.

在第1次压缩到最短过程中，A做加速度减小的加速运动，B做加速度增大的加速运动，当两物体共速时弹簧压缩到最短，如图10所示.对于上述分析学生提出疑问，在弹簧压缩到最短的过程中，会不会出现弹力大于F，使得物块A减速的情况出现？面对该问题，粗略的分析已无法给出解释.首先想到用仿真实验室，用箭头的长短显示速度大小，如图11，直观上好像箭头没有变短，即A物体的速度没有减小.由于箭头变化较快，看得还是不真切.用Matlab定量地分析，画出A物体的v-t图像，真相尽在不言中.

图10

初始条件为x1=0，x2=l0，v1=0，v2=0.

然后编程计算，结果如图12所示，速度是持续增加的，没有减速的情形.可能时间2 s太短，还没出现减速，后来增加时间长度，发现速度始终是增加的.

图12

例7.当物体逐渐向凸透镜移近时,物体所成的像逐渐________,像离凸透镜的距离逐渐________(填“变大”或“变小”).

该题考查的是凸透镜成像规律，学生可通过作图，作出物体在2倍焦距以外、2倍焦距、1倍和2倍焦距之间、1倍焦距及1倍焦距以内的成像，得到成像的规律.

用几何画板作出物体及通过透镜所成的像，如图13所示，用鼠标拖动物体向凸透镜运动，可清楚地观察到物体从无穷远到1倍焦距以前，所成像从透镜的右边1倍焦距偏右处逐渐远离透镜，且像不断变大；物体处于一倍焦距位置时，不成像；从1倍焦距到靠近透镜过程中所成虚像逐渐减小，且与透镜的距离由距透镜左边无穷远逐渐缩短为零.在学习透镜规律时，不断去拖动几何画板上的物体去移动，让学生反复观看像的变化，在大脑中建构动态成像过程.因几何画板的操作较为简单，也可以让学生在信息技术课上自己作图，自己拖动物体观看成像，深化对凸透镜成像规律的理解.

图13

综上所述，我们可以在教学实践中通过多种途径开展实验化的物理习题教学，提高学生的物理问题解决能力.当然，由于教学时间、条件以及教师精力所限，无法做到每个习题都实验化，实际上也无此必要.在教学实践中，我们只需要对高中物理教学中经典的、容易实现的、学生不易理解的和学生容易发生错误理解的问题，开展实验化习题教学.