优化创新做实验 追本溯源探真理

摘 要：功的原理的推导和理解是本节课重难点，教材中关于“使用机械能否省功“的实验有一定的局限性，并且不能恰当地得出功的原理.笔者对实验器材和过程进行了优化和创新，并采用“实验+推理”即理想实验法突破了重难点，追本溯源使学生理解“使用任何机械都不省功”的真正意义.

关键词：功的原理;实验优化创新;“实验+推理”

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）14-0045-04

作者简介：田茂刚（1980-），男，山东淄博人，本科，中学一级教师，研究方向：初中物理课堂教学.

众所周知物理学是一门以实验为基础的自然学科，它是发展最成熟、高度计量化的精密科学，同时它的发展具有方法论的性质，被人们公认为最重要的基础学科.2019年11月20日教育部下发了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，在其总体要求中指出：“拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式;注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培养学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质.”[1]由此可见，加强实验教学是物理教师的一种职责，优化实验教学对培养学生创造性思维能力具有举足轻重的作用.

功的原理（mechanical work theorem）是一个普遍的结论，对于任何机械都适用，它对机械的使用和研制具有重要的指导意义，故功的原理被誉为“机械的黄金定律”.“功的原理”是初中物理力学中一种比较重要的基本原理，它是学生在学习了简单机械后对利用机械作功的进一步认识，是对生活中物理现象的进一步观察和应用，然而面对如此重要的原理，在实际教学中有些课堂却不注重实验的严谨性和科学性，出现了以偏概全、越俎代庖甚至本末倒置的情况，本文针对鲁教版（山东科学技术出版社）物理八年级下册第九章第五节“功的原理”教学中存在的不足进行了优化和创新.

1 教材中原有实验的描述与不足

1.1 教材中关于功的原理的描述

笔者使用的教材是教育部2012审定的鲁教版教材，教材中这样描述功的原理：“大量事实表明：使用机械时人们所做的功，都不会少于不用机械所做的功，也就是说使用任何机械都不能省功，这个结论叫作功的原理”，其中“都不会少于”的意义包含“大于或等于”两层意思，即如果我们把使用机械时做的功表示为W机械，把不用机械而直接用手做的功表示为W手，那么用数学语言来描述功的原理就是W机械≥W手.

1.2 教材中实验的不足

教材中分别利用杠杆和动滑轮提起钩码来探究“使用机械能否省功”这个问题，笔者认为教材中的实验探究有以下三点不足之处：

第一，教材中使用杠桿进行实验时操作不方便且移动距离不易测量.物体移动轨迹和弹簧测力计在提升过程中的移动轨迹是一条曲线，先要找出同一点的前后两个位置，再用刻度尺测量出对应点的竖直距离.在空间中测量物体移动的距离h和弹簧测力计移动距离s时会造成较大的测量误差甚至错误.

第二，教材中分别利用杠杆和动滑轮提起钩码来探究“使用机械能否做功”时类型不够全面.功的原理适用于所有机械，包括理想机械、实际机械、组合机械，是一种无论考虑还是不考虑机械自身受到的重力、摩擦力等因素都普遍适用的原理，但使用杠杆和动滑轮这两种实验器材侧重于体现机械自身重力对机械做功产生的影响，而其他的很多常见的因素产生的影响却无法体现，这样得出的结论可能会具有局限性，也不利于学生科学思维和发散思维能力的培养.

第三，教材中的实验探究及其结果不能够恰当地得出功的原理，即“使用任何机械都不省功”的结论.利用动滑轮等简单机械提起钩码，将钩码重G、钩码提升的高度h、手的拉力F以及手移动的距离s填入表格，并计算出使用机械做的功W机械和不用机械做的功W手进行比较（见表1）.

表1是笔者在授课前自己实验探究时记录的一组数据，分析数据我们可知：使用机械做的功大于不用机械做的功，即W机械>W手，而根据功的原理二者的关系应该是W机械≥W手.

2 实验器材的优化与创新

2.1 实验器材的优化与创新

针对以上不足，笔者对实验目的和实验器材的对应性进行了深入的思考和衡量，笔者想到了一种常见的能代替杠杆更好的实验器材——斜面，使用斜面做探究实验有以下优点：

第一，钩码移动的距离h和手移动的距离s更容易测得并且误差较小.

第二，可以进一步探究摩擦力对机械做功的影响，从而解决前期探究影响因素范围偏窄的问题.

总之，这次实验器材选择的创新可以做到两者兼顾、一举两得.实验优化和创新的思维过程如图1所示.

2.2 实验器材的最终选择是动滑轮和斜面

本节课中最终使用动滑轮和斜面进行实验探究，使用二者进行实验探究具有类型全面、操作简单、现象明显、数据易测量且误差小等优点，也为实验后续的分析推理做好了铺垫.

3 探究过程的优化与创新

3.1 实验过程的优化

通过实验过程及数据处理得出的结论是：使用机械做的功大于不用机械做的功，即W机械>W手，而功的原理的实质指明二者的关系应该是W机械≥W手，问题的症结是教学过程中如何引导学生理解W机械=W手，或者说在什么条件下W机械=W手.

使用机械有时省力，有时省距离，为什么不省功呢？这是学生普遍的疑问.笔者考虑从实验结果和数据入手，根据学生存在的疑问和好奇心理激发学生的探究欲望，追本溯源引导学生科学分析导致使用机械做的功大于不用机械做的功的根本原因.

3.1.1 实验过程优化方法

学生分组实验分别使用动滑轮和斜面探究“使用机械是否省功”.

使用动滑轮探究时：用弹簧测力计测出钩码的重G，选择重力不同的大中小三种动滑轮（如图2所示），按照“先用大的动滑轮再用中等的动滑轮后用小的动滑轮”的实验顺序分别将同一钩码提升相同的高度h，记下弹簧测力计的示数F，测出绳子自由端移动的距离s，并将实验数据记录在表格中.

使用斜面探究时：用弹簧测力计测出木块的重G，将木块匀速提升一定高度h，并做好标记;组装好斜面后，在斜面上按照“先铺毛巾再铺棉布后用木板”的顺序分别用弹簧测力计沿斜面匀速拉动木块至标记处（如图3所示），记下弹簧测力计的示数F，弹簧测力计沿斜面移动的距离s，并将实验数据记录在表格中.

3.1.2 计算并分析实验数据

下面是笔者保留的一份学生分组实验的记录表（如图4所示）.

实验表明：使用机械时人们所做的功，都大于不用机械时所做的功，即W机械>W手.

分组讨论：这两组使用了相同的实验器材，并且每次实验结果都存在W机械>W手的关系，但是通过数据比对发现每组的W机械与W手的差值是不同的，为什么呢？进一步猜想使用机械时W机械>W手的根本原因可能是什么呢？

讨论结果：机械自身的重力和摩擦力.

3.2 探究方法的创新

教材中通过实验探究后就给出了“使用任何机械都不省功”的结论，这一举措笔者认为是有待商榷的，因为通过实验很容易得出W机械>W手的结论，但实验中并没有W机械=W手的体现.因为W机械>W手是机械做功的实际情况，而W机械=W手却是一种理想情况，所以笔者尝试在教学过程中使用”实验+推理”的教学方法即理想实验法突破瓶颈.教学中在实验探究的基础上进一步引导学生分析影响因素，从而推理出无其他因素影响时使用机械做功与不用机械做功之间的大小关系，即理想状态下二者之间的大小关系，这样既能够突破为什么W机械=W手的重难点，也能够科学完整地推导出功的原理.

3.2.1 实验探究

（1）=1＼*GB3使用机械时人们所做的功，都大于不用机械时所做的功，即W机械>W手.

（2）=2＼*GB3机械的重力或摩擦力是W机械>W手的影响因素.

3.2.2 科学推理

问题：我们再重新分析这两组实验数据，按照实验顺序，机械自身重力或摩擦力怎样变化？W机械与W手的差值有什么特点？看看还存在什么规律？

回答：机械自身重力和摩擦力越来越小，W机械与W手的差值也越来越小.

推理：当绳重、动滑轮等机械重力和摩擦力为零时呢？

回答：W机械与W手之间的差值就会逐渐减小为零，即W机械=W手.

我们把不计绳重、动滑轮的重力和摩擦力时的状态称为理想情况.

3.2.3 利用“实验+推理”的方法推导出功的原理

学生通过“实验探究”的环节得出“使用机械做的功W机械大于不用机械做的功W手”，即W机械>W手;学生通过实验数据分析“W机械>W手”的原因，找出了机械自重和摩擦力等因素对机械做功的影响;进一步推理：随着机械自身重力和摩擦力越来越小，则W机械与W手之间的差值就会越来越小，达到理想情况时即机械自身重力和摩擦力减小到零时，则W机械与W手之间的差值也会为零，即W机械=W手.

综合实验探究和科学推理可得出“使用任何机械都不省功”，即功的原理.

（1）实际情况：W机械>W手

（2）理想情况：W机械=W手即W机械≥W手

4 优化创新后的效果

4.1 优化创新后的教学效果

通过本节课的教学使学生理解了“使用任何机械都不省功”的真正意义，学生能够用功的原理解释使用斜面为什么能省力、为什么将物体提升相同高度时，斜面越长越省力，也能够理解和解释“将同一个物体分别沿AB和AC两个光滑斜面匀速拉到顶端”两次的拉力F1、F2及两次做功W1和W2的大小關系等.

通过反馈发现学生理解和掌握情况较好，学生通过本节课的学习不仅理解了功的原理，并且能够根据功的原理来解决生产生活中的实际问题， 贯彻了“物理来源于生活又服务于生活”的原则，他们不仅学到了知识，还在学习过程中体验到了成功的喜悦，增强了自信心，所以本节课无论是在培养学生学习方法上，还是锻炼学生思维能力等方面都达到了预期的教学目标和教学效果.

4.2 优化创新后的教研效果

笔者根据优化设计和创新思路在2019年执教了“功的原理”一课，这节课在当地的物理教研活动中起到了积极的导向作用，在一定程度上促进了区域内物理教学的优化和创新思考，这节课被评为“教育部2019年度‘一师一优课、一课一名师活动‘优课”.

“功的原理”这节课的优化设计和创新思路也引起当地教研室的重视，《山东省淄博市2019年初中物理学业水平考试物理试题》中第22题就是以这节课为母版进行的中考命题.

《山东省淄博市2019年初中物理学业水平考试物理试题》第22题：在日常生活和工农业生产中，提高机械效率有着重要的意义.提高机械效率，要从研究影响机械效率的因素出发，寻求办法.

（1）为了探究影响机械效率的因素，小明选取了大小相同的滑轮，利用图5甲和图5乙装置进行实验，并把数据整理记录在下表2中.

①比较1和2两次实验发现：在所有滑轮组一定时，提升的钩码，机械效率越高.

②比较3和4两次实验发现：滑轮组的机械效率还与有关.

③比较两次实验发现：在所用滑轮组一定时，机械效率与提升钩码的高度无关.

④第5次实验是利用了图的装置完成的，判断依据是.

⑤利用图5甲的装置，把重6N的物体用2.5N的拉力迅速拉起，滑轮组的机械效率为.可见如果没有刻度尺，只有测力计，也可以测量出滑轮组的机械效率.

（2）小明利用图5丙装置实验发现：斜面的机械效率与斜面的倾斜程度和摩擦有关，与物重无关.保持斜面倾斜程度不变，可以采用的方法减小摩擦，从而提高斜面的机械效率.

（3）实验表明：额外功越小，总功越接近有用功;进一步推理得出：假设没有额外功，总功等于有用功;可见使用任何机械都.下列物理规律的得出运用了这种研究方法的是.

A.焦耳定律     B.牛顿第一定律

C.阿基米德原理   D.欧姆定律

5 优化创新追本溯源与物理教学

物理学科的特点决定了教学中的绝大部分知识和概念的建立都是以实验探究为基础的，而教材中的很多实验存在着演示不方便或效果不明显等不足之处，所以物理教师要对教材中现有的实验进行优化和创新才能获得理想的教学效果.有些物理知识仅仅通过实验就得出物理规律或物理原理往往是行不通的，因为这样容易造成知识的片面、缺陷甚至错误，所以物理教学中要注重实验探究特别是教学方法的优化和创新，综合运用物理方法，做到因势利导、循序渐进、追本溯源，才能在物理教学的道路上教学相长、助力学子并快乐自己.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]张攀.关于镜面反射与漫反射实验的创新与改进[J].中学物理，2020，38（10）：36-38

[3]唐文珠.新课程背景下初中物理创新实验探索[J].物理教师，2012，000（007）：23-24.

[4]王杰，尹钊.趣味物理实验在中学物理教学中的应用[J].科教文汇（中旬刊），2009（08）：209-210.

[5]王来智.物理教学中的做功问题——人做功还是绳做功[J].中学课程辅导：教学研究，2009，000（012）：123-124.

（收稿日期：2021-04-08）