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用创意实验教学落实物理学科素养

2020-06-11李治展

福建基础教育研究 2020年5期
关键词:安培力向心力物理

李治展

摘 要 在中学物理实验教学中,创意实验可有效促进课堂教学效果的提升,对物理学科核心素养的培养起到至关重要的作用。 基于此,文章就如何用创意实验教学来突破教学重难点、培养学生的物理学科核心素养,结合具体教学案例进行探析。

关 键 词 创意实验;实验教学;核心素养

实验创新要求教师慧眼独具,在生活中探求实验 改进的途径,利用身边的日常用品、实验室旧仪器完 成一些创意实验,就能更好地激发学生学习物理的兴 趣和热情,落实物理核心素养的培养。

一、利用创意实验教学,引导学生形成正确的 物理观念

物理观念是核心素养的基础,是人们对物质世界 的根本看法与认识,需要用物理知识来支撑物理观 念,借助物理知识来证实物理观念的科学性与正确 性,它是物理知识的提升和凝练。[1]物理教学中联系 生活实际、创设一系列有效且有趣的创意演示实验, 有时能提供一些有悖常理的新奇现象,或能亲自设计 操作实验的环境,从而激起学生的学习兴趣,引导学 生去探究其物理根源。

案例 1 一系列创意实验演示“向心力”。

教材中向心力的引入只采用一个小实验(细绳拉 着小球在桌面上圆周运动),仅用一个实验学生并不 能很好理解向心力是一种等效力,是由物体实际受到 的一个力或几个力的合力或一个力的分力提供了向 心力,为此,在实际教学中,多次引入一系列创意演示 实验,以求让学生更好地理解向心力的概念。

演示1:用“玻璃杯搬乒乓球”小游戏引入课题,如 图1所示,游戏规则:除玻璃杯外不借助其他道具,只 能用一只手,杯口始终竖直向下,将乒乓球移入托盘 中,学生通过思考,并亲身体验,成功的方法就是使乒 乓球在杯子中快速转动,就能搬到托盤中。教师设 疑:快速转动的乒乓球为什么不会掉下来?引入

演示2:用沾有墨汁的小球在细线拉力的作用下 做圆周运动,如图2所示,说明有了细线的拉力小球做 圆周运动,释放细线,小球沿 着圆周的切线方向飞出,用沾 有墨汁的小球能在白纸上留下 清晰的痕迹,实验效果明显,可视性强。

演示 3:为了说明就是挡板对球的弹力改变了球 的速度方向,使它做圆周运动,如图3所示,笔者将挡 板的一部分做成可拆除的活动 结构,在拆除部分活动的挡板后 小球做匀速直线运动,球上的墨 汁能在白纸上清晰地留下小球的轨迹。

演示 4:用转盘研究转动木块的向心力来源于静 摩擦力,学生很难理解木块是由于有指向圆心的静摩 擦力才做圆周运动 ,所以对实验进行改进,如图 4 所示,用铺有毛巾的转盘研究转动木块的向心力来自静 摩擦力,揭开毛巾后,将木块直接放在水平转盘放上,轮上放上底面为正方形的一块橡皮,如图 5 所示,转动 塔轮,缓慢增大转速,橡皮有倾倒趋势,因底面为正方 形,向四面倾倒所需的外界条件相同,再次增大转速,橡皮就会倾倒(控制好转速不要让橡皮飞出),可以观察到橡皮向外侧倾倒在转盘的半径方向上,由此说明橡皮在转盘上随塔轮一起转动时,相对于塔轮静止,但有向外滑的趋势,因为静摩擦力的方向与相对运动 趋势的方向相反,所以静摩擦力指向圆心,由静摩擦力提供了橡皮做圆周运动的向心力。

最后将几次改进的演示实验汇总分析,如表1所 示,不但解决了转盘上的物体受到指向圆心的静摩擦 力提供向心力这一教学难点,更为关键的是,学生能 从几个不同的演示实验中发现共同点:

在做圆周运动的物体实际受力中,都能找到一个指向 圆心的力,可以是弹力、摩擦力、几个力的合力或一个 力的分力等,能从本质上理解向心力概念,进而形成 正确的物理观念。

二、利用创意实验教学,培养学生科学思维

培养科学思维是物理教学的核心所在,要求学生 能正确使用物理思维方法,从定性和定量两个方面进 行科学推理、找出规律、形成结论。[2]在物理实验教学 中,教师可以设立一系列有效问题,促进学生的逻辑 思维体系不断完善,让学生体验物理学研究问题所运 用的思想和方法,从而培养学生的科学思维品质,促 进学科核心素养的养成。

案例 3 用创意实验“半定量”探究磁场对电流的 作用F与0的关系

在用如图6所示的自制实验装置,演示电流在磁 场中会受安培力的作用,学生经历三步探究得出结 论:FxBIL之后,再将如图6所示的装置中U型磁铁换 成如图7所示的方位放置,其他条件都不变,依然控制 了 B、I、L不变,只有B与I的相对位置关系发生了变 化,让学生观察再次通电后的实验现象:铝棒不动,说 明不再受到安培力的作用,学生通过对比两次的演示 实验,就会得出F的大小与B、I的夹角0有关系,当0= 90°时,即电流方向与磁场方向垂直时F=BIL;当0=0° 时,即电流方向与磁场方向平行时F=0,完成了科学探 究的完整性。

在学生得知F与0的有关后,提出问题:如果电流 方向与磁场方向既不垂直又不平行时,存在安培力 吗?如果存在,安培力又是多大呢?并可再次利用如 图 6所示的自制演示实验 装置,只要将磁铁的方位 略加倾斜,如图 8 所示,再 通电,学生依然能直观地 观察到铝棒的滚动,并且 滚动得比较慢,学生就会 由实验现象得出结论:依然存在安培力,且安培力较小。教师再次提出问 题:能否利用已有的经验,通过理论推导的方式得出F 与0的定量关系呢?学生自然会想到将磁感应强度B 正交分解,分解为垂直于I和平行于I的两个分量,其 中垂直分量才对电流I有力的作用,从而得出结论:安 培力大小F=BILsin0,教师进一步说明表达式F= BILsin0数学上恰好是BI与通电导线的长度L在垂直 磁场方向的射影Lsin0的乘积,所以也将射影长Lsin0 称作有效长度,引导学生发现数学工具在解决物理问 题中的作用,实现了学生对实验探究和理论探究的有 效体验,实现了从实验探究到理论探究的升华,实现 了从特殊到一般的演绎过程,有效培养了学生科学思 维习惯。

三、利用创意实验教学,培养学生的科学探究 能力

实验探究要求学生具有设计实验探究方案,使用

各种方法收集实验信息,分析论证并处理信息,通过 合作与交流,完成探究过程并得出结论。在安培力大 小相关因素的实验探究中,教师可通过创意实验培养 学生的深度探究能力,促进其学科核心素养养成。

案例 4 安培力大小相关因素的探究(自制加改进 仪器定量探究F与B的关系)

实际教学中,教师可利用实验 室的常用器材(弹簧、矩形线圈),自 制仪器如图9所示,实现F与B“定 量”探究,根据胡克定律,用弹簧的 伸长量的变化量来定量体现安培力 的大小。在用此装置定量探究F与

I和F与L的关系后,再来探究F与B的关系。

现行的教材在探究F与B的关系上只是用文字简 要说明,有的版本教材有了很大的改进,通过在U型 磁铁的两臂绕制线圈的方式来改变磁感应强度B(如 图10所示),进行探究F与B的大小关系,课堂教学中 由于没有足够的时间让学生绕线圈,而且线圈的匝数 要多,还要注意绕制方向,且实验现象很不明显,达不 到很好的探究效果,实际教学中部分教师选择一语带 过,没有进行实际探究,忽视了学生探究能力的培养。

有了如图10所示的自制加改进的实验装置,定量探究 就成为可能。教学中 ,教师就 可以对学生进行引导:如何獲 得变化的磁场?如何获得变 化的匀强磁场?学生就会回 忆已有的知识,想到用通电的 螺线管来提供变化的匀强磁 电的螺线管中呢?在学生思考后教师出示如图11所

示的实物图,将两同型号带矩形铁芯的螺线管串联, 两个通电的螺线管等效为两根条形磁铁,当两磁性相 近的条形磁铁异名磁极靠得很近时,两异名磁极间的 区域可近似为匀强磁场,让通电矩形线圈的下边置于 两靠得很近的矩形铁芯之间,就可以通过调节滑动变 阻器改变螺线管上励磁电流I的大小,从而改变线圈 在磁场中的导线所处磁场的磁感应强度B,资料证实 通电螺线管所产生磁场的磁感应强度B正比于励磁 电流的大小,从而使探究F与B的“定量”关系成为可 能。在实验探究过程中,师生互动交流,学生的思维 通过教师递进式问题的 引导 ,思维层次不断地 得以深化,学生设计实 验方案能力不断提升, 科学探究能力得到有效 培养。

四、利用创意实验教学,培养学生的科学态度 与责任

科学态度要求学生能正确认识科学的本质,具有 学习和研究物理的好奇心与求知欲,实事求是,不迷 信权威。[2]物理创意实验能最大限度激发学生的学习 动机,提高学生课堂参与度,通过创意实验的检验和 逻辑的推敲,学会尊重客观事实,实事求是,逐渐形成 正确的科学态度和责任观。

案例 5 演示最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。

《摩擦力》教学中,学生很容易认为最大静摩擦力 等于滑动摩擦力,即使教师告知学生最大静摩擦力略 大于滑动摩擦力,因为牛顿第 二定律在后面的章节才进行 学习,导致学生在新课教学中 很难真正理解这一点,教师可 以利用弹簧测力完成这一演 示实验,将纸片折成如图12

所示的形状,卡在弹簧测力计指针下方(图13),用弹 簧测力计拉动静置于牛皮纸上的小木块,就能利用小 纸片留下最大静摩擦力的 刻度值,即可显示牛皮纸 和木块之间的最大静摩擦 力略大于滑动摩擦力,实 验现象直观,通过创意演 示让学生学会尊重实验事实,培养学生的科学态度。

总之,用创意实验组织教学,能引导学生从被动 接受知识向主动探究而获取知识转化,学会从物理学 视角去认识物理概念规律的建立过程,形成正确的物 理观念,体验科学探究过程,培养科学思维能力,感受 科学探究精神,养成科学态度和建立社会责任感。用 创意实验教学既丰富了物理课堂教学资源,又能全面 提升学生的学科核心素养,为其终身学习和发展奠定 基础。

参考文献:

[1]吴妙燕.学科核心素养在高中物理实验教学中落实的 有效途径[J].高考,2018(8):32.

[2]杨永和.立足物理实验教学落实学科核心素养[J]. 中小学实验与装备,2017(5):15-16.

(责任编辑:周志平)

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