利用微创新实验突破初中物理教学的重难点——以苏科版物理“力 弹力”教学为例

■李 翔

《义务教育物理课程标准》（2011年版）提出，物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程。此阶段的物理课程应该让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题及解决问题的能力。在物理教学中，实验扮演着重要的角色：既是教学的必须内容和必备手段，同时也是知识发生、发展的必要载体。下面笔者就以苏科版物理“力 弹力”这节课的教学为例，谈谈如何利用微创新实验去突破本节课的重难点。

重难点一：接触的两个物体间一定会产生弹力作用吗？

解决这一问题，教师的通常做法是：将两个粉笔盒靠在一起，拿走其中一个，另一个不会动，说明即使两个物体接触，也不一定会产生弹力作用。但是盒子与桌面之间有较大的摩擦力，用两个小球代替盒子来做实验效果会好很多。我们还可以设置一组对照实验来突破这一重难点。将两个灌满沙子的乒乓球（灌满沙子的目的是增大惯性，使其运动状态不易改变）用细线悬挂在铁架台的横杆上，改变两根悬线的距离，使其等于乒乓球的直径。轻轻拨开一个乒乓球，另一个乒乓球纹丝不动（图1）。将悬挂点靠拢，再拨开一个乒乓球，另一个乒乓球开始摆动，如图2所示。通过这组对照实验，学生能直观地认识到：产生弹力的必要条件不只是两物体要接触，还有两个物体要相互挤压，发生弹性形变。

图1

图2

重难点二：如何区分弹性形变与范性形变？

发生形变的物体撤去外力后能恢复原状，这种形变叫弹性形变；发生形变的物体撤去外力后不能恢复原状，这种形变叫范性形变。由于弹力的产生需要物体发生弹性形变，所以苏科版初中物理教材只讲解了弹性形变，而没有涉及范性形变。但是笔者认为，弹性形变与范性形变对比着讲解，能让学生更深层次地理解“形变”这个概念，特别是理解：得出“在弹性限度内，弹簧所受外力越大，弹簧的形变量就越大”这一结论时，为什么要强调“在弹性限度内”。

我们可以让学生取下圆珠笔里面的小弹簧，当用很小的力拉动时，弹簧能恢复原状；当用较大的力拉动时，弹簧不能恢复原状，如图3和图4所示。这样学生很容易理解弹性形变与范性形变的区别，也能直观地认识到外力足够大时，弹性形变也能转变成范性形变。

图3

图4

重难点三：如何体现微小或瞬间形变？

初中苏科版物理教材设计关于弹力的实验时，用到了几种容易发生弹性形变的物体，如：气球、弹簧、橡皮筋、塑料尺等。这些器材容易从身边获取，也能直观地说明弹力产生的原因之一：发生弹性形变。但是对于桌子、玻璃杯等这类表面相对坚硬的物体而言，弹性形变很难体现。如何体现微小形变很考验教师的教学智慧。

常见的一种方法是：在一个密封的玻璃瓶中插一根透明的吸管，玻璃瓶内装满染成红色的水，吸管内液面高于瓶口，如图5所示。当用力挤压玻璃瓶的侧壁时，能看到吸管中的液柱有明显上升；当松手时，液面又下降至原来的位置。坚硬的玻璃表面发生的弹性形变虽然肉眼察觉不到，但是可以通过这种“放大法”直观地呈现。另一种常见的方法是通过光的反射来放大微小形变。我们知道，入射光线固定，如果平面镜转过θ角，则法线也转过θ，而反射光线转过2θ。如图6，在桌面上放置一块较大的平面镜，在铁架台上固定一块较小的平面镜。让一束激光从同一方向入射，光经过两次反射，射到木板上的一点。当桌面上放置一个重物时，发现光斑发生了较大的位移。通过该实验很容易推理出：重物对桌面的压力导致桌面发生了微小形变。

图6

足球的表面虽然不如桌面坚硬，但是足球砸在地上或人的脸上时发生的形变也很难察觉，这是由于球速太快，形变的时间太短。笔者给足球拍摄一段慢动作视频，将足球形变的速度放慢。通过慢动作视频，我们还能直观地看到：不但足球发生形变，人脸也发生了形变，足球和人脸的形变都产生了弹力。（图7-图9）同时也说明了另一个重要的力学原理：力的作用是相互的，为后续的学习埋下了伏笔。

图7

图8

图9

重难点四：如何解决“谁的形变产生压力或支持力”的问题？

我们知道：茶杯放在桌面上，如图10所示，茶杯对桌面的压力和桌面对茶杯的支持力都是弹力，但是要想让学生认识到这一点本身就比较困难，而要想深入认知压力或支持力到底是由于谁的形变产生的，更是难上加难。笔者在平时的教学过程中，尝试用类比法来突破这一重难点，收到了不错的效果。

图10

我们可以用装满水的气球类比茶杯，用海绵类比桌面。将装满水的气球轻轻地放在海绵上，我们可以看到装满水的气球变扁了，同时海绵凹陷下去，气球和海绵都发生了形变，如图11和图12所示。根据弹力的定义：物体发生弹性形变后，力图恢复其原来的形状而对另一个物体产生的力，这个力叫作弹力。所以，变扁的气球力图恢复原来鼓起的形状而产生的弹力是对海绵向下的压力，凹陷的海绵力图恢复原来平整的形状而产生的弹力是对气球向上的支持力。由此类比到茶杯和桌面：茶杯对桌面的压力是由于茶杯发生弹性形变产生的，桌面对茶杯的支持力是由于桌面发生弹性形变产生的。

图11

图12

通过这种类比，学生关于弹力认知的难度会大大降低。而且，形象的实验比单调的版画和枯燥的讲解更能激发学生学习物理的兴趣。

重难点五：如何定量探究物体形变与外力的关系？

“探究物体形变与外力的关系”是本节课的重要实验。教材通过“手压塑料尺使其弯曲”和“手拉弹簧使其伸长”两个简单的实验，让学生直观地体会到：使物体发生弹性形变的外力越大，物体的形变就越大。初中物理课程标准并没有要求对此进行定量探究和得到定量结论：在弹性限度内，弹簧的伸长量（形变量）与外力成正比。但是定量的结论经常用于课后习题的解答，同时该结论也是接下来要学的弹簧测力计的工作原理，所以笔者认为在本节课有必要对“弹簧的伸长量与外力的关系”进行定量探究。如果像高中学习胡克定律那样系统地进行实验探究，时间不允许，学生理解起来也比较生硬。那么，如何快捷、有效地得到定量结论呢？笔者在教学过程中进行了如下尝试。

选四个同样的弹簧A、B、C、D依次挂在一根水平横杆上，A弹簧不挂任何钩码，B、C、D三根弹簧分别挂上一个、两个、三个钩码，过A弹簧的底端，水平拉一根细线，以该细线为端点分别测量B、C、D三根弹簧的伸长量，如图13所示。笔者认为这种实验方法与传统的“用一根弹簧挂四次钩码”的实验方法相比，主要有两个优点：一是，用不挂钩码的A弹簧作为参照，能直观地看出弹簧的原长，降低了学生的认知难度；二是，以过A弹簧底端的细线为参照，能直接测量B、C、D三根弹簧的伸长量，既节省了用总长减去原长计算伸长量所花的时间，又能对比着看出外力翻几倍导致伸长量翻几倍的正比关系，降低了学生的思考难度。

图13

本文介绍的几个微创新实验对整节课的流畅推进作出了很大贡献。有了这几个实验，教师在解决一些重难点问题时会更加游刃有余，学生对弹力的概念的形成、对弹力相关规律的掌握也会水到渠成。