高中物理探究性实验

邓果

摘要：中学物理新课程标准要求利用实验教学提高学生的实验技能，培养学生的创新意识、独立思考能力及探索精神。文章以此为目的，以实验复习——验证机械能守恒定律一课为例，采用探究式教学方法，以问题为主线，以科学探究为载体，以发现问题为动力，引导学生亲自体验验证机械能守恒定律科学探究过程，领悟科学探究方法，提升起物理核心素养。

关键词：核心素养;科学探究;实验

一、教材内容分析

机械能守恒定律是高中物理课程中体现守恒思想的第一个定律，在整个高中物理学习中起着承前启后的作用。“验证机械能守恒定律这节课的教学对学生推理论证、质疑创新、动手能力和分析能力都有革命性的提高。因此该课堂不仅要传授物理规律，更重要的是通过探究式教学设计，使学生亲历规律的发现，领悟科学探究的过程，提高物理核心素养。

二、教学过程

（一）复习回顾，知识梳理，构建认知体系

师生共同回顾验证机械能守恒定律实验的原理和注意事项，提出一下4个问题。

问题1：判断机械能守恒的条件？

问题2：实验验证中物体质量m是否需测量？

问题3：纸带上某点速度如何测量？

问题4：有效的纸带得如何选择？

设计说明：通过复习判断机械能守恒的条件、验证守恒的实验原理和注意事项，为本节课探究验证系统机械能守恒提供知识储备，也使学生进一步理解功是能量转换的量度，为学生探究系统机械能守恒做好铺垫。教师介绍验证系统机械能守恒的实验装置。

问题5：该实验器材用于验证机械能守恒，研究对象是谁？

问题6：从何判断？

问题7：到底是验证谁机械能守恒？

设计说明：学生直观反应是要验证物块机械能守恒，这是受利用物体自由落体运动来验证机械能守恒这套装置的影响。但当教师抛出下一个问题，他们就很快能意识到，物块除了重力以外还有绳子拉力在做功，所以单个物块机械能并不守恒。马上会有个别学生会提出小车和物块作为系统机械能守恒。此时就需要教师引导学生思考，如何去验证系统机械能守恒？提示学生类比学习验证单个物体机械能守恒的方法。有学生便提出，我们可以通过数据分析物块减少的重力势能，与物块和小车动能的增加总量在误差允许的范围内是否相等，来进行验证系统机械能守恒。

（二）动手实验，分析数据，发现问题

学生以每六个人为一小组分别进行实验，每个小组的学生根据自己的能力和特点参与实验过程，分工协作完成实验过程。教师现场指导，引导学生合理开展实验。帮助有困难的学生进行实验操作。以下是某组学生获得的实验数据：物块质量m=0.05kg，小车质量M=0.502kg，x1=0.0158m，X2=0.0228m，t=0.04s，h=0.118m。经数据处理测得小物块重力势能的减少量为0059J，系统的动能增加量为0.0466J。这一数据表明小物块重力势能的减少量比系统的动能增加量大了许多，并能说明系统机械能守恒。这一实验结果对学生预想结果具有-定的冲击性，能够撼动”学生原有的认知体系，学生对于找出问题所在充满了好奇，这也是科学探究素养培养的最好契機。

（三）提出问题，形成猜想，修正实验

从该组学生数据处理结果发现，系统的机械能并不守恒，其他七个小组也纷纷表示自己获得数据也是小物块重力势能的减少量比系统的动能增加量大了许多。教师引导学生大胆猜想会不会本身这个实验系统机械能就不守恒？通过以下三个问题引导学生从“功是能量转换的量度”这一角度，去发现系统除了重力做功，其实还有小车所受的摩擦力做功。要使系统机械能守恒需要先消除摩擦力做功的影响。

问题8：为什么实验测得系统机械能不守恒？

问题9：实验操作出问题还是实验数据处理出问题？

问题10：如何进行修正实验？

设计说明：该环节的教学设计有别于传统的实验教学，并还是在学生实验操作前和实验过程中不停地反复强调平衡摩擦力的重要性。通过学生亲历实验失败来激励学生找出影响实验的关键步骤--平衡摩擦力。然后在讲授平衡摩擦力的方法，让学生重新进行实验，体验实验成功的喜悦。

问题11：如何平衡摩擦阻力的影响？

问题12：如何判定已经平衡好摩擦力？

学生第一反应是把木板换成更光滑的玻璃，来减小摩擦力，但是还是存在摩擦力的影响，无法完全消除，这世间没有完全光滑的物品。教师引导若物块可以在不受绳子拉力作用下做匀速直线运动，即为达到了平衡摩擦阻力的效果。学生能考虑到将木板适当倾斜，重力沿斜面向下的平衡摩擦阻力的作用。若轻推物块，发现其纸带上打出的点迹均匀，说明已经平衡好摩擦力。八个小组重新实验，平衡好摩擦力，再重新实验过程，获取数据如下：物块质量m=005kg，小车质量M=0502kg，x1=0.0179m，X2=0.0236m，t=0.04s，h=00807m。经数据处理则的小物块重力势能的减少为0.04035J，系统的动能增加量为00406J。实验结果：在误差允许的范围内，系统机械能守恒。

设计意图：本环节是在学生亲历未平衡摩擦力导致实验失败后修正实验过程，重新实验过程，进而获得成功。学生亲身经历挫折后又自行找出问题、解决问题，最终感受到成功的喜悦，体验感极强。

（四）改进实验，培养创新意识

1.教师以思考题的形式引导学生设计改进实验

思考：是否有其他测量物体速度的测量方法？

在物理必修1第一章运动的描述中的科学漫步曾介绍过气垫导轨和光电门及数字计数器。在教师的适当引导下，学生能想到此实验可以通过气垫导轨上完成，并调节气垫导轨的高低来精准的平衡摩擦力的

影响。用光电门代替打点计时器测量瞬时速度，v=d/t其中d为遮光板的宽度，为遮光板过光电门的挡光时间。

2.教师协助学生共同完成改进后的创新实验

（1）用天平分别测量桶和滑块的质量。

（2）将气垫导轨调节水平，使滑块能在气垫导轨上匀速运动，按05米间距安装两个光电门。

（3）启动气源，释放滑块让其自由滑动，关闭气源。

（4）采集实验数据，输入Excel处理数据，如下图所示。

（5）分析实验结果：桶与砝码的重力势能减少量为0.1306J，小车与车上砝码的动能增加量为0.1302J，在误差允许的范围内系统的机械能守恒。

（五）拓展探究，课堂延伸

1.教师提出探究课题是否可以利用DIS实验来验证物体下落过程中的机械能守恒问题。

2.学生经过思考讨论设计出在铁架台上竖直方向装上两个光电门，让一物体自由下落，来验证竖直方向上的机械能守恒。

3.教师引导学生找出设计方案的缺陷

①演示实验过程，若用普通重物下落则直径过大，用光电门测得的平均速度不能作为瞬时速度处理。

②普通物体下落过程容易碰到DIS装置，产生误差。

③教师用一枚硬币代替重物，尝试完成整个实验过程，并简单处理实验数据。

④数据分析发现用硬币进行实验也是不成功。教师引导学生找出实验失败的原因：为保证实验的成功性，是需要硬币在下落过程中严格保持水平不发生转动，经过学生的多次试验发现由于空气阻力的影响是无法做到这一要求。进而影响到光电门对硬币的遮光距离d的测量，使得对瞬时速度的测量引发产生较大的影响。

4.留作课后思考该方案要如何继续改进，才能提升成功率

结语：在新课程背景下，让物理教学能够有效地促进学生核心素养的提升，是每一位教师为之努力的方向。物理教学中，教师若能将物理核心素养教育落到实处，便能为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下坚实的基础，也为我国科技发展输送优秀的人才。

参考文献：

[1]刘思佚，牟佳佳.浅谈高中物理课堂中的参与式教学[J].第二课堂（D），2021（09）：45-46.