高中物理探究性实验的设计与学习方法研究*

■谢 睿

一、探究性实验的设计原则

1.可探性原则。物理探究性实验对可探究性因素或物理规律进行深度研究,其选题、难度、内容既不受考试压力的限制,也不可超出同学们的理解水平。

2.参与性原则。全体同学参与到探究性实验过程中,可以划分为不同的小组,形成小组内部讨论和外部讨论两种交流形式,使控制条件、操作过程、统计计算等环节产生的分歧得到充分研究。

3.有效性原则。精选适合探究的物理实验内容,不拘泥于固定的探究步骤和环节,根据具体实验做出具体分析。此外,探究性实验应做到探究与学习的平衡,力求对实验内容的主干分析透彻,提升实验的内在质量。

二、探究性实验设计的基本步骤

1.初步探究,提出问题与猜想。“倾斜传送带”模型实验的重点是借助已有的实验器材得到相对位移、摩擦生热等结论,教材将“物块”假设为具有一定质量的物体,而不再考虑现实实验操作的问题。高中物理实验室现有传送带实验平台,其平台装置能够转变方向、倾角和速度,且在传送带上加装了传感器,记录物块通过的时刻。

提出问题1：倾斜传送带遵循“牛顿第二定律”原理,其摩擦力大小与接触面粗糙程度、压力相关,那么,在实验中是否还存在影响摩擦力大小的其他因素?

猜想与假设1：除粗糙程度、压力外,根据压强中“增大接触面积可减小压强”,探究滑动摩擦力大小是否与接触面积成反比。

提出问题2：倾斜传送带的动摩擦因数与tanθ的关系是否影响到物体的运动过程,是否与理论分析一致?

猜想与假设2：通过改变传送带角度改变动摩擦因数与tanθ的大小关系,从而探究出动摩擦因数与tanθ大小关系对运动状态的影响。

2.设计实验条件,进行实验探究。在提出问题、猜想与假设后,围绕探究内容开展探究性实验,完成设计实验和进行实验两部分内容。

设计实验1：弹簧测力计能够较为准确地测出物体间存在的滑动摩擦力。在探究性实验中,将弹簧测力计的一端固定到传送带平台上,且这一端不会发生移动,另一端拉住物块,使物块与弹簧测力计保持在同一条水平线上。按照以上的操作方式,更换弹簧测力计一端的物块,使物块质量不变,只改变物块与传送带的接触面积。

设计实验2：选定实验常用的物块,仅改变对照组传送带的倾角,以不同的倾角开展对比性实验,得到动摩擦因数与tanθ的关系。每次实验都将物块以零速度放置于传送带一端,并将光传感器固定在传送带上,以物体通过遮光片的时刻记录时间,并由tracker软件推导出物块的速度,形成物块的速度—时间图像和位移—时间图像,其结果用于同学们判断倾角与运动状态的关系。

进行两组实验：按照仅改变单一变量的原则,严格进行两大问题的探究实验。一方面注意操作细节,最大程度地保障传送带平台的稳定性,减少人为操作对实验结果的影响；另一方面规范实验数据的记录,确保能够掌握探究实验的目的、过程、数据处理等内容,提升实验的有效性。

3.分析与论证实验。

分析与论证1：弹簧测力计在静止物块放上运动传送带后,先出现快速的弹簧拉伸现象,而后稳定在相对固定的最大数值。通过采用实验室提供的等质量两种接触面积的物块,记录弹簧测力计的最大拉伸数值。经过多组同学的同条件实验发现,两种不同接触面积物块的最大拉伸值稳定在0.4N。由此,探究性实验验证了在传送带上物体间的摩擦力大小与接触面积无关。

分析与论证2：结合物理实验室提供的参考性信息,当传送带倾角为45°时,动摩擦因数与tanθ数值相等,考虑到实际操作存在一定的磨损。为此,探究性实验记录了在30°、44°、46°、60°四种倾角下的速度变化结果。通过获取的时刻数据,并基于tracker软件处理出物块的位移—时间图像和速度—时间图像。经过对比分析,在倾角为30°时,物块的位移—时间图像增长先缓慢后稳定,先弧线后直线,其速度—时间图像先增长而后达到传送带速度保持稳定；在倾角为44°、46°时,完成相同位移的时间缩短,而曲线形状没有较大改变,其速度—时间图像达到传送带速度的时间有所缩短；在倾角为60°时,物块的位移—时间图像整体呈曲线,后期曲线斜率增大,其速度—时间图像中速度不断增加,且分为两段,前端加速快,后端加速慢。由此,探究实验验证了倾斜传送带的动摩擦因数与tanθ的关系决定着物块的运动状态。

三、探究性实验过程中的学习方法

以上探究性实验的学习设计合理地将探究实验的基本步骤融入其中,同学们明确了探究目的、方式、过程和分析等内容。但仅按照以上学习设计开展实验活动,往往会让同学们不知所措。因此,还应采用一定的学习方法进行辅助。

1.运用DIS平台优化实验数据。DIS实验平台是以计算机、传感器、实验计算软件、数据采集器等为主体的自动化实验数据记录、分析系统。其优势在于能够自动采集密集性数据并进行一定程度的计算,有效地帮助同学们完成实验数据记录工作。比如在探究“猜想与假设2”时,可以将倾斜传送带平台的光感应器与DIS 实验平台相连,通过数据采集器将感应器信号转变为记录时间的信号,并展示在计算机屏幕上。

2.结合实验数据,量化不同物理量关系。在“猜测与假设2”中,同学们能够从DIS 平台直接获取物块的位移—时间图像和速度—时间图像,但图像与运动状态的直接联系还未建立起来。首先,分析实验图像的斜率,在位移—时间图像上获取多个时刻的速度,将整秒时刻的速度进行量化；在速度—时间图像上获取多个时刻的加速度,比较整秒时刻的加速度。然后,将获取的“速度”“加速度”两个物理量进行计算验证,使物块的运动状态得以清晰地表达。最后,采用人工制图的方式,将物块和传送带的速度—时间关系绘制在一张图上,通过两者在图像上的面积差,得出物块与传送带的相对位移。通过以上的数据处理,物理量之间的关系得以量化,实验数据与运动过程相互印证,使同学们的探究和理解水平得以提升。

3.运用实验结论,推导抽象模型。“牛顿第二定律”是力学实验研究的理论基础,探究性实验应结合一定数量的对照实验和实验结论,推导出抽象模型,使探究性实验的结论具有普遍意义。

四、总结

高中物理的探究性实验,不仅应做好探究实验的学习设计,还应结合教材理论,运用一定的学习方法进行深层次学习。