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1、物理实验思维变换面面观 富阳中学沈忠立 【摘要】本文阐述了高中物理实验中的几种思维变换方式。为了更好激发学生兴趣， 提高学生探究问题、解决问题的能力，对学生实验、 演示实验、 随堂小实验等进行加一加、 移一移、联一联、改一改、代一代、反一反等角度变换，有效地发挥了物理实验在教学中 的作用，提高了实验教学效率。 【关键词】物理实验思维变换教学功能 物理学是一门实验科学，每个物理概念的建立、物理规律的发现，都有丰富的实验 为基础。物理实验不仅是物理理论学习的基础，同时也是物理学不断深入发展的动力。实 验的过程蕴涵了丰富的科学思维和科学方法，同时也包含着比较全面的综合能力。为了更 好的激发学生兴趣，
2、提高学生探究问题、解决问题的能力，培养学生的创新思维能力，对 实验进行适当的改造是必要的。我们在平时的教学中，把学生实验、演示实验、随堂小实 验等进行加一加、移一移、联一联、改一改、代一代、反一反等角度变换，有效地发挥了 物理实验在教学中的作用。 一、加一加 -在实验中增加一些器材、情景，进一步挖掘实验的教学功能 如图 1 所示实验是教材中平抛运动的演示实验，其功能上只能解释平抛运动在竖直方 向上是自由落体运动。若要进一步形象解释平抛运动在水平方向是匀速直线运动，在教学 中可增加如图2 的实验（可以这样设问：若要证明平抛运动在水平方向是匀速直线运动， 那可设计怎样一个实验呢？）：实验装置如图2
3、 所示，1 是铅丝弯成的四分之一圆周的两相 同弧形轨道，每一弧形轨道都是由两条平列的铅丝做成，其间隔的宽度由小球的直径来决 定； 2 是由两条平行铅丝做成的平直滚槽；3 是吸引小球用的电磁铁，利用它来控制小球 开始运动的时间；4 和 5 都是用来固定滚槽的木板，木板夹持在铁支架上或固定在一个木 支架上。装置时务必使上下两木板与水平面平行，并使两轨道处在同一竖直平面内。演示 图 1 图 2 图 5 图 6 OM P N A B 时，先将电键S 闭合，在电磁铁的下端吸住两个形状、质量都相同的小铁球；然后开启电 键，电路切断，只见两小球分别沿各自的弧形槽滚下，接着两小球在平直槽上相碰。 上例通过对演
4、示实验器材的变换，增强了实验的演示的功能。 又如在单摆振动规律的演示实验的教学中，一般是进行以下 一些实验变换： 变换一、单摆振动周期与振幅的关系； 变换二、单摆振动周期与摆球质量的关系； 变换三、单摆振动周期与摆长的关系； 通过以上实验的变换只能得出单摆振动周期与振幅和摆球质 量无关，而取决于摆长的结论，但不能得出单摆振动周期与重力 加速度的关系。为此，笔者通过增加一块磁铁直观的得出了两者 间的关系。其方法如下： 变换四、单摆振动周期与重力加速度的关系(如图 3)。 方法：取一铁球做成的单摆，测出其振动周期；然后在该摆球下方，放置一块磁铁， 再测出其振动周期，比较一下，所测得的两个周期哪个大
5、？ 情景联系：根据此方法我们就可拓展到确定带电小球在匀强电 场(图 4)或磁场中摆动时周期的变化规律，也可联系到变速运动的装 置中单摆的振动问题，由此，顺利的达到了变换实验情景的功能。 通过对实验器材增加、情景的变化，使学生加深了对物理概念 和规律的理解，培养了学生的分析物理过程和解决难题的能力，增 强了学生探究问题的能力。 二、移一移 -对实验器材、装置等移动、减少，看 看实验手段或结果的变化情况 在验证动量守恒实验中，一般是按照如图5 的装置来进行实验。但在实验过程中 发现某同学利用了如图6 所示装置来验证动量守恒定律。笔者乘机在同学们 图 3 E + 图 4 做完如图5 的实验后，让同学
6、再做了如图6 的实验：图中AB 是斜槽，实验时先使m1球 从斜槽上某一固定位置A 由静止开始滚下，落到位于斜面的记录纸上，留下痕迹。 重复上 述操作 10 次，得到10 个落点痕迹。再把m2球放在水平槽上靠近槽末端的地方，让A 球 仍从位置G 由静止开始滚下，和下球碰撞后，A、B 球分别在记录纸上留下各自的落点痕 迹，重复这种操作10 次。 最后让同学思考如下问题： （1）如图 6 实验与如图5 的实验有何区别？ （2）如图 6 实验中碰撞后B 球的射程应如何测量？ （3）如图 6 实验误差主要出现在哪里？ （4）如图 6 实验的误差是否对实验结果有很大的影响？（结合两个实验数据分析） （5）
7、你通过对两实验分析后得到的结论是什么？ 笔者也通过数据测量并分析后发现，在现有装置的条件下做这两个实验，对实验的结果并 没有多大的影响。 此 实 验 是 根 据 教 材 中 实 验 装 置 演 变 而 来 的 （ 如 图6验 证 关 系 式 ： FDE smsmsm 211 ） 。在平时教学中，为保证实验精确、无误，反复强调需验证 的关系式 ” m1OP=m1OM+m2ON，对该内容多次机械性的重复，甚至背出上式必然会导致严 重的思维定势。而当有些试题中出现小球落地面是斜面，学生按思维定势方式去解决，或 无从下手。这给教学的启示是：不能用“填鸭式”的方式限制学生的思维，而应启发学生 自己思考：
8、验证动量守恒的原理是什么？如何求出小球碰前后的速度（求速度的思路：关 注小球的位移和运动时间）？能否用直接测量物体碰撞前后的速度来“验证碰撞中的动量 守恒”？等等。学生只有在掌握了实验原理和方法，能够自觉控制实验条件进行实验，才 能真正提高实验能力。 又如在做完 测定电源的电动势和内阻实验后， 笔者还让学生思考和做了以下实验： 思考： 除了上述方法测定电源的电动势和内阻，还有无其他实验手段来测定电源的电动势 和内阻。（事先实验室已准备了变阻箱） 实验： （1）若实验中若没有电压表，如何来测定电源的电动势和内阻？ （2）若实验中若没有电流表，如何来测定电源的电动势和内阻？ 通过对实验器材的减少，
9、让学生提出实验方案的设计,并验证和修改 ,不仅获得了知识 和技能 ,提高了创造能力,同时还学会了用科学的方法、科学的态度、科学的精神对待科学。 三、联一联 - 变换角度进行事物间的联系，会有新的发现 在学生做用单摆测定重力加速度的分组实验前，可引导学生发散思维：你能设计 出几种测定重力加速度的方法？学生经过一段时间的探索和思考，提出了多种不同的方案 （归纳如下） ： （1）在静力学中，静止物体对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力大小就等于重力， 即 FF mg若 F（或 F）和能测出，则重力加速度可测定 （2）在超重或失重（但不完全失重）系统中，F-mg=ma若 F、a和可测出，则 重力加速度
10、g 可测定 （3）在运动学中，物体从光滑斜面上由静止下滑，s= 2 1 gsin t 若 s、 和 t 可测定，则 重力加速度g 也可测定 （4）在运动学中，物体从粗糙斜面上由静止下滑，s= 2 1 （gsin ugcos ）t 若 s、 、u 和 t 可测，则重力加速度也可测定 （5）自由落体运动中，h= 2 1 gt 若 h 和 t 可测出，则重力加速度也可测定 （6）用重力加速度测定仪测定 （7）在平抛运动中，竖直方向在连续相等的时间内位移之差 ygt 若 y 和 t 可测， 重力加速度g 同样可以测出 （8）在斜抛运动中，水平射程可以表示为 g v x 2sin 2 0 若 x、v和
11、可测出，则重力 加速度也可测出 （9）单摆做简谐振动时，其周期可以表示为T g l 若 T 和 l 可测，则 g 可测 （10）假设物体在地球表面附近绕地球做圆周运动， 2 R GMm mg， 2 R GM g, 当做完用单摆测定重力加速度的分组实验后，再进行分析以上方案的可行性。 方案（ 1）中常用的测力计误差较大；（2）中 F和 a均不易测定； （3）中 和 t 不易测定 且难以保证斜面足够光滑；（4）中 、t 和 u均不易测定；（5）中若用秒表计时人为因 素较大， 若用打点计时器计时，纸带受振针阻力与通常小物块所受重力相比不能忽略；（6） 中仪器先进但一般中学没有；（7）中若用闪光照像技
12、术则是一种好方案，但设备和技术要 求的限制不能全体同学推广，若用平抛运动的研究方法误差较大；（8）中 和 v的测量难 度较大；（9）中相对而言较切合中学实际；（10）只是一个思想实验，无法付诸实践，但 可估算，代入数据得g9.857ms ，与标准值9.81ms 只相差 4.8% 学阶段通常采用单摆法测定重力加速度 除了设计一量多测的实验外也可设计一物多用的实验：我们可以用塑料可乐瓶做非 常有趣的水悬球、水火箭的实验，令人深思的超、失重实验，气体突然膨胀致冷的实验， 气体体积与压强关系应用的实验，龙卷风的模拟实验，可以制作洗衣机甩干机的模型、利 用毛细现象原理的自动饮水鸟的模型，还可以做静电起电
13、盘和静电放电旋转轮等等。 通过以上实验思维方式的变化（发散和收敛），可人人激活学生的创造思维，并提高 了学生思考问题的积极性，有效的锻炼了学生的发散性思维能力。 四、改一改-可以把部分实验设计成探索性实验，增强学生探究问题 的能力。 探索加速度与力的关系数据记录与处理 纸带 号 小盘质量 m1(g) 砝码质量 m2(g) 作用力（小盘与砝 码的总重力 mg=m1g+m2g） (N) 小车的加速度 a m/s 2 a mg (g) 1 5 2 10 3 15 实验结论 ： 。 实验误差： 你认为在该实验中由于你的操作引起的误差原因有哪些？如何减小？（原因个 数由实际情况而定） 原因 1：。减小方
14、法：。 原因。减小方法：。 原因。减小方法：。 原因 4：。减小方法：。 原因 5：。减小方法：。 思考题： 1请设计一个实验方案，如何探索加速度 与质量的关系。同学之间讨论一下。 2根据本实验得出的加速度a 和外力 F 之 间的关系，在右图中画出图线。 3设计加速度与质量之间关系探索实验用 表 以下内容在下次实验时用，请设计好表格。 纸带 号 1 2 3 实验结论 ： 。 实验误差： 你认为在该实验中由于你的操作引起的误差原因有哪些？如何克服？（原因个 数由实际情况而定） 原因 1：。减小方法：。 原因 2：。减小方法：。 原因 3：。减小方法：。 a O F 图 7 原因 4：。减小方法：
15、。 变演示实验为探索性实验, 培养了学生的创新意识，让学生充分地动脑、动手、 动口 , 发挥其主体作用,从而利于学生提高思考问题的灵活性和广泛性。 五、代一代（转换法） - 用某些容易直接测量（或显示）的量（或现象） 代替不容易直接测（或显示）的量（或现象） 演示实验1：在探讨静电的利用和防止这节拓展课中，其中涉及讲解静电除尘原理时， 笔者演示了静电除尘的实验如图7。 演示 ：点燃蚊香， 摇动起电机， 从投影屏幕上可看到烟雾 越来越少。 学生反映 ： 同学们兴趣浓厚， 注意力都集中到这个瓶子上， 并发出一阵阵感叹声：真妙！ 诱思 ：一般灰尘都带有些微电荷 这个实验代替了以前照本宣科的教学方式，
16、既明了静电除 尘原理， 又让学生亲身体验到工厂除尘的情景，增强了对环保 的意识； 演示实验2：又如在研究力的分解一节中笔者提出了有这样一个问题：“逆风行舟” 可 能吗？”。 学生反映：惊讶！怎么可能。 笔者演示了（如图8）实验（器材：小三轮车模型、长木 板和电风扇） 演示：看到三轮车在逆风徐徐的靠近电风扇 学生反映：惊喜！ 收获： 力的分解在生活、生产中无处不在，威力无限， 体 会到学有所用。 又如把流逝的时间转换成振针周期性的振动；把对电流、电压、电阻的测量转换成对 指针偏角的测量；用从等高处抛出的两球的水平位移代替它们的速度等。 通过对实验的替换，满足了同学们的求知欲望，提高了同学们学习物
17、理的兴趣，体会 到物理和实际生活、生产密不可分。 图 8 逆风行舟 六、反一反 -从实验的观察角度、思维方式上进行改变，会不会得出 相应的结果 学生一般的思维常常是顺向思维，很难得到实验结果，在教学中如果渗透反一反的思 想则会变得柳暗花明。 1、在实验的观察角度上进行变换： 在演示肥皂液薄膜的复色光干涉实验时，可先让学生细致 观察，然后出示以下问题：本实验需要研究观察什么？怎样 观察？观察时眼睛、薄膜、火焰三者的位置关系如何？为什 么在肥皂薄膜上会出现反射像？这个反射像与普通的平面镜 成像有何不同？条纹有何特点？条纹的颜色排列是否有 序？上部和下部的彩色条纹宽度是否相同？彩色条纹宽度 是否随时
18、间变化，怎样变化？ 观察角度变换： （ 1）若在薄膜后方放一光屏，则光屏上出现的情况又会是怎样呢？ （ 2）若我们站到肥皂泡里面去看蜡烛火焰，那情况 有会是怎样呢？ 此时同学们好奇心油然而生，打开了想像的空间，强 烈激发了同学们的问题兴趣，激起了一层思维浪花。 2、思维方式上反一反 又如在研究电学黑箱的问题时，是从已知的现象探求未知 的条件，从已知的结果追溯未知的原因，就必须进行反一 反的思考方法。问题：在一个盒子里，装有一节干电池和 三个阻值相同的电阻，它们的两根引线均接在接线柱上，用电 压表测盒外接线柱的电压，得到U12=0，U23=0.5V，U34=1V， U14=1.5V，试画出内部电
19、路图。该题如果从结果出发研究则就 能迎刃而解。 上述所讨论的是笔者在实验教学中通过加一加、移一移、联一联、改一改、代一代、 反一反等手段的变化的一些思考与实践，有效培养了学生学习的内部驱动力，提高学生问 题意识和发现问题的能力；在教学过程当中让学生真正体会到实验手段的变换方式多样 化，培养了学生的发散思维能力，增强了学生探究问题的能力，开拓了学生解决问题的 思路和能力。 图 9 1 2 3 4 图 11 图 10 参考文献： 1. 赵力红高中物理探究性趣味实验浙江师范大学出版社 2002.4 2. 陈欢庆创造力开发教程浙江文艺出版社 1999 3. 乔际平邢红军物理教育心理学广西教育出版社 2002.3 4. 朱龙祥物理教学的思维方式首都师范大学出版社 2000.12