基于原始问题的高中物理探究性实验教学案例分析——以“网球塔”的搭建为例

张彦文 吴家盛 成 涛 钟 鸣

(南京师范大学物理科学与技术学院,江苏 南京 210023)

1 引言

目前中学物理课程改革不断深化,但是中学物理教学中还存在着一些跟课改精神不符的问题:一方面,在介绍物理概念、规律之后,以物理解题为导向,追求学生物理演算能力的培养;物理实验不被重视,这样的物理教学模式潜移默化地向学生传递了“物理习题即物理问题”的错误观念。[1]另一方面,不论是演示实验还是学生实验,其结论以及可能产生的实验现象是可预知、可控的。学生不容易遇到实验的意外情况,因此缺失实际问题解决的能力,思维活跃度较低,学生很难通过这种实验活动掌握研究物理问题的一般方法。对于很多学生而言,物理概念和物理规律是十分抽象的,物理实验是有操作难度的,这导致学生产生畏学情绪,不利于培养学生的核心素养。

探究性实验教学是高中物理教学的重要组成部分,有助于提高学生的物理思维能力、科学探究能力,为深度学习打下基础。在实际教学中,很多探究性实验仍然是学生在教师有目的的引导下为得出固有结论而进行的“假探究”。[2]真正意义上的探究性实验应该基于在社会生产活动、生活中真实存在的能够反映物理概念、规律,但未经加工的物理现象和问题(即原始物理问题)。[3]在探究性实验教学中,应创设生活化情境,让学生在面对与生活紧密结合的物理现象时,学会从物理现象蕴含的众多因素中找到合适的切入点,建构模型,综合运用所学理论解决实际问题,让学生在现实生活中自主参与实验探究活动,培养其创新能力。[4]本文以“网球塔”的搭建为例,从有趣的原始物理问题出发,探讨高中物理探究性实验教学的思路、方法与模式。

2 高中物理探究性实验教学案例分析

2.1 创设情境,提出问题

原始物理问题存在较高隐蔽性,而高中生缺乏物理知识储备,物理感知能力较弱,让学生自己在现实生活中主动探寻有研究价值的物理问题存在一定的困难,教师可为学生创设情境,引导他们发现并提出具有研究价值的原始物理问题。

情境创设：2019年格鲁吉亚物理学家安德里亚·罗加瓦教授在不使用任何外界支撑或粘合的情况下,用网球按照每层3个、顶层1个的方式搭建了一座9层“网球塔”(图1)。

请学生用网球尝试搭建上述网球塔,学生发现,“网球塔”搭建的层数越高,越容易倒塌。由此提出问题:每层3个的网球塔的极限层数是多少?网球塔的稳定性与哪些因素有关?请同学们在小组内讨论,并做出猜想与假设。学生提出影响网球塔稳定性的因素有:网球表面间的摩擦因数、网球与底部接触面的摩擦因数等。其中有的可能是主要因素,有的可能是次要因素,首先需要进行简单的筛选。比如,如果学生认为网球塔极限层数与网球之间的接触面积有关,可以在网球上沾墨水,通过观察知道:两个球体之间基本为点接触而非面接触。

2.2 分组实验,探究网球塔的稳定性

由于网球塔的搭建需要多人合作完成,因此实验可以采取分组合作的形式展开。在粗糙程度相同的水平桌面上搭建网球塔,由于网球塔有层数限制,显然不同层数的稳定性是不一样的。

随着搭建层数的增加,如何判断网球塔的稳定性?首先应明确“稳定性”的定义,一个力学系统受外力的作用而处于平衡状态,受到外界的微小扰动后,系统趋向于恢复到平衡位置,则平衡是稳定的;系统越来越远离平衡位置,则平衡不稳定;刚好打破力学系统平衡状态所需的临界微扰值越大,系统稳定性越强。

基于上述定义,需要给网球塔施加扰动,即人为施加一定的推力。出于数据采集的要求,需要在施加推力的同时获取推力值,可使用力传感器。力传感器可实时显示并记录推力大小,灵敏度较高,学生在利用力传感器推网球塔时,应保持在水平方向上施加推力F(图2),可在电脑屏幕上显示F-t图像,F-t图像中的峰值即为网球塔被推倒的临界微扰值。

图2 网球的稳定性探究

在实验中控制其他因素不变,用力传感器水平推动各层网球塔,直到网球塔正好倒塌。重复多次实验,记录测量得到的最小推力值,并求出平均值,实验数据如表1所示。

表1 “3+3+3+1”型网球塔推力数据

通过各组实验数据对比发现:推力的大小由顶层到底层逐渐增大,即每层3个的网球塔稳定性由顶层到底层逐渐增强。

2.3 收集资料,建构模型

对网球塔的受力分析要用到刚体力学知识,可以让学生自行查阅相关资料,教师也可以视实际情况,向学生提供自学材料,并适当介绍刚体平衡条件等基础知识,引导学生对网球塔进行受力分析。学生在动手搭建的过程中,能够体会到摩擦是必不可少的,而当网球塔平衡时,对应的是静摩擦。

具体分析过程如下:(1) 将网球视为质量、半径相同的刚体球,并假设相邻两球均互相接触。对网球塔从上到下逐层受力分析。规定最顶层网球为第1层,从上到下,层数i递增,总层数为n。(2) 依据各层网球与上、下层接触的情况,分为顶层、次顶层、中间层、底层。

2.3.1 顶层网球与次顶层网球受力分析

2.3.2 中间层网球受力递推关系分析

2.3.3 底层网球受力分析

2.4 设计方案,实验探究

通过上述物理模型的分析,为了维持网球塔的稳定,需要保证不同层间的网球静摩擦因数以及网球与桌面间的静摩擦因数达到一定的值。这里需要注意的是,我们通常认为静摩擦因数和正压力无关,前提是压力几乎不改变接触表面的性质,而在实际情况中,网球表面羊毛材质的绒毛在受到不同压力的情况下会发生不同程度的形变,导致网球间接触面性质发生了变化,从而使得静摩擦因数发生变化。因此,需要设计方案,探究网球与桌面间的静摩擦因数、网球与网球间的静摩擦因数及其随压力变化情况。

2.4.1 网球与桌面间的静摩擦因数

如图4所示,将3只网球固定,利用力传感器沿某一网球球心与三个网球的中心连线方向推该网球,网球与桌面发生相对滑动时,推力会达到一个峰值,该峰值对应于网球与桌面间的最大静摩擦力,重复测量5次,将数据记录在表2中。

表2

图4 网球与桌面静摩擦因数测量装置

如果测得网球与桌面间的静摩擦因数大于理论值,则满足稳定条件,否则需要增加桌面的粗糙程度。

2.4.2 网球与网球间的静摩擦因数

如图5所示,将一网球皮剥下并固定在平面上,将另一网球剪开,在网球中添加砝码以改变网球质量,用同样的方法测量最大静摩擦力,计算出静摩擦因数并进行记录。

图5 网球与网球静摩擦因数测量

图6 网球间静摩擦因数随正压力变化关系

2.5 处理数据,得出结论

如图7所示,绘制不同层数网球塔保持稳定时理论上所需要的静摩擦因数和实际测得的静摩擦因数的图像,得到两条曲线的交点为i≈11。当i>11时,实际的静摩擦因数小于理论上网球塔保持稳定需要的静摩擦因数,因此对于每层3个的情况,高于11层的网球塔无法搭建成功。根据不同网球质量的细微差别和实验条件,网球塔的理论层数限制在10～12层。实际搭建的最高层数为9层。考虑到网球实际形状非理想刚体球形等不可避免的误差因素,基本符合理论层数限制。

图7 网球塔层数限制函数图像

3 结语

作为高中物理探究性实验教学的一个案例,本文以搭建“网球塔”这一原始物理问题为载体,让学生尝试搭建并发现“网球塔”的层数限制。在分组实验中,通过改变网球质量,探究出网球与网球间静摩擦因数随压力变化的关系,将实际的静摩擦因数与理论需要的静摩擦因数相比较,得出每层3个网球塔的层数限制为10～12层,并通过实验成功搭建了9层网球塔,接近理论层数限制。利用力传感器探究网球塔各层稳定性,发现网球塔各层稳定性自顶层至底层不断增强。

通过这样的探究性实验,让学生体验现象→建构物理模型→探究实验变量→总结实验结论的过程。该实验具有挑战性和趣味性特点,保持网球塔的结构有很多种解决方案,容易激发学生的好奇心与好胜心;而实验结论的得出涉及稳定、静摩擦因数、刚体平衡和立体几何等知识,可以让学生在实验探究中学习和巩固物理概念、规律,在物理概念、规律的运用中提高创新能力。在这一过程中学习使用数字化实验系统以及数据处理软件,提升学生的实验操作能力、数据分析能力和团队合作能力。由于原始物理问题具有开放性,解决方案不唯一,在“习题一统天下”的物理教学现状之下,基于原始物理问题的探究性实验教学也能够在一定程度上推进物理教学方式的转变,提升学生的物理学科核心素养。