中学物理疑难实验研究

1中学物理疑难实验研究一、中学物理疑难实验研究概述随着教学改革的深化，物理实验在物理教育特别是中学物理教育中的作用和地位显得更加突出。然而要真正运用好物理实验，使之对提高教学质量发挥出独特的作用，却不是一个简单的问题。因为它需要的既要有物理学理论和实验知识，又要有教育学、心理学和教学法的知识，还必须脚踏实地亲手实践，因此能否在教学中有效地、恰到好处地运用物理实验，实际上可以综合地反映一个中学物理教师的教学能力和知识水平。无论是作为未来的还是在职的中学物理教师，为什么要进行中学物理疑难实验的专题学习和研究呢？中学物理中有哪些疑难实验需要研究？如何才能通过学习真正提高自己解决疑难实验问题的能力呢？下面分三个方面来阐述这些问题。（一）、使人大伤脑筋的中学物理疑难实验在中学学习时，学生们对物理课堂上老师如何能将一个个实验表演成功的奥秘是缺乏了解的，也多半不太清楚老师的那“台上几分钟”，用到的却是“台下几天功”。当他（她）们有时看到实验的效果不好或甚至做不成功时，他（她）们也不一定有兴趣弄清楚其中的原因，到了大学学习阶段，同学们虽然做了不少实验，但一方面由于实验内容直接针对中学物理实验的相对较少，另一方面不少同学在做实验时有图任务、为交实验报告而做实验的倾向，真正转换到作为一个中学物理教师的角色、对实验进行仔细钻研的同学尚不多见，这样到中学实习时，一些同学碰到令有经验的教师都感到困难的实验内容时，并没有意识到会有什么麻烦，没有用足够的时间进行实验准备，以为照着中学课本上所述的方法去做就行了，结果是不断碰钉子。例如，高中物理课本中机械波概念的引入，教材上用的是一个如图1所示的绳波演示实验，按课本所述，用手拿着一根绳子的一端（另一端固定）上下摆动，就会看到一列凹凸相间的波向绳子的另一端传去。但拉着绳子的一端上下摆动了老半天，却只见整条绳子在摆动，而不见明显的波，实际上，这个实验要想演示出课本所说的现象，在绳子的选择上很有讲究，绳子如何悬挂以及手拿绳子如何摆动也都是个问题，并不是随便拿根绳子、随便摇两下就可以摇出波来的。而这些细节，作为以中学生为读者对象的中学物理课本一般是不会特别地加以说明的。类似的如光电效应的演示实验也是如此，照课本介绍，把一块擦得很亮的锌板连接在如图2所示的验电器上，用弧光灯照射锌板，验电器指针就张开一个角度。但实际上，用弧光灯或紫外线灯照射了老半天，却不见验电器指针有要张开的迹象，还有一些实验，如牛顿第二定律的验证、用打点计时器验证机械能守恒定律等，虽然均能完成，但实验误差太大，结果令人失望，这样的实验挫折经历多次后，教师往往会对实验产生畏惧心理，久而久之虽然教学经验不断丰富，有些还成为了教学骨干，但不少实验在他们的手中，疑难程度却没有相应地降低。（二）、疑难实验形成的原因分析中学物理中竟然还有这么多的疑难实验？这是大多数教师特别是新教师始料不及的。人们不禁要问，中学物理范围内主要涉及的大都是物理学中比较成熟的知识内容，怎么还会有疑难实验呢？这个问题不解决，就会造成前面所说的由忽视或轻视到畏惧的结果。首先，作为科学实验，这些课题都早已在实验室获得了解决，但如今作为教学内容编进中学物理教科书中的，就属于教学的物理实验。作为教学的物理实验，和科学研究中的物理实验或在其他应用领域的物理实验有一个最重要的区别，那就是教学物理实验的设计不仅要体现物理思想、符合科学性原则，而且必须反映教学思想、符合教学原则。例如，简谐运动图像的描绘实验，从技术上来说，有很多的方法可以描绘出正弦或余弦曲线。但若设计成如绘图仪那样的图像描图1图22绘仪，虽然具有自动化程度和可靠性高、操作简便等诸多优点，但若考察教学目的，这个实验必要的一点就是要在所获得的图像与振动体的运动之间建立起尽可能直接的、必然的联系，以便学生理解图像所反映的物理意义，从这一点来看，如果图像的描绘是通过一个自动化的装置来实现的而其机理又被有意无意地置于隐藏地位的话，它就丧失了作为一个教学的物理实验存在所必须有的教学价值。为此，就要设计出一个既简单直观又要可靠好用的装置，这在技术上提出了更高的要求。同样的道理，前述的光电效应演示实验，采用裸露的锌板并用验电器检验锌板上的带电，从教学思想上来考虑是很值得的，但在技术上又大大地增加了实验的难度。此外，如电磁（阻尼）振荡、光学中的一些实验等也都有同样的问题。这样带来的实验疑难在中学物理疑难实验中占有相当大的比例。其次，实验的难度是相对于教师的知识、能力和经验而言的。有很多实验不是疑难问题，但是到了有些教师手里，却成了难题。还有一些实验，如静电演示实验，许多前辈学者的不懈努力，实验本身已不像很多人想象的那么难，但是要很好地驾驭它，实验者必须有比较扎实的基本功。必须在掌握有关知识的同时，花时间去认真琢磨、体会实验的奥妙，将资料上的分析介绍、别人的经验内化为自己的真正理解和切身体会，并坚持在实践中不断摸索和积累，才能练就出做好静电实验的真功夫，然而，许多教师在碰了几次钉子、特别是在看到许多有经验的教师对静电实验也感到头痛之后，没有信心和恒心深入钻研下去。结果，静电实验在很多教师的手里成了头号疑难实验，只有在天气干燥的气候条件下才敢在课堂上演示。此外，中学物理实验仪器本身的缺陷也是导致疑难实验问题的一个重要原因。由于体制的问题，现有的中学物理实验室仪器设备还较普遍地存在许多不如人意的地方。主要表现：一是在仪器的生产和配备上对新技术、新成果的反映太迟钝，这样使得一些已经很好地解决了的疑难问题由于没有新的仪器可用而依然疑难如故；二是不少仪器由于粗制滥造导致可靠性很差，使一些根本不难做的实验由于没有合格的仪器可用而成为疑难实验。（三）、疑难实验的研究方法及要注意的问题从事任何学习与研究，只有抓住问题一个一个地、扎扎实实地钻研下去，才可能掌握到真正属于自己的知识、练就出独立解决问题的能力，这里不存在投机取巧的捷径可走，疑难实验的学习与研究也不例外。但在扎实努力的前提下，如何才能举一反三、活学活用，则是我们大家所希望的，为此，要求我们在学习和研究的过程中，不仅要针对教学的需要，一个一个地解决问题，积累知识和经验，而且要善于透过具体的疑难实验的研究，发现共同的、规律性的东西。具体来说，研究疑难实验，了解和掌握尽可能多的有关前人研究的资料信息是很有必要的，但一定要特别注重从众多的表面差别甚大的实验装置中发掘和把握其中蕴含的实验方法。因为实验方法是物理实验的灵魂，深入不到实验方法的层次就驾驭不了疑难实验。疑难实验之所以成为疑难，说到底，就是尚未找到满意的实验方法，许多漂亮的实验方法不仅提供给我们化解疑难实验所需的知识和技术窍门，而且更重要的是可以给予我们智慧的启迪和激励，使对它敏感、勤于思考的人获得创造性地解决问题的能力，我们知道，直流电动机中，有一个被称为直流电机构造特征的重要部件——换向器，它的作用就是对应于转子线圈的转动周期性地改变输入电流的方向，使线圈得以持续地转动。如果要你设计一个简化的、不用换向器的电动机，你会怎么办？根据磁场对通电线圈作用的特点，不用换向器的话，要么周期性地改变磁场，要么就采用可根据线圈转动周期性地变化的电源，使得磁场力始终起促进线圈转动的作用。这样，很可能设计出一个更复杂而不是简化的电动机，如图3所示的是一个将线圈引出线当转子转轴使用、既省去了轴也省去了换向器的直流电动机，它采取断续供电的办法，即只在线圈转动的半个周期内才输入电流，另半个周期内线圈由于未通电而不受磁场力的作用，借助惯性，线圈的运动并不会停止。从实验方法来看，这样省去换向器是不是简单巧妙？但是又如何来实现对线圈的断续供电呢？这看来又是一个不那么简单的问题。而在图3所示的装置中，用的方法是将线圈引出线一端的绝缘漆全部刮去，而另一端则只刮去一半，使得线圈在每转动一圈的过程中，只有半圈的时间由于引出线两端都是刮去绝缘漆的导体面与导体支座接触而有电流输入。实验方法简单得出奇，却漂亮得图33令人叫绝！这样的方法突出了实验原理，使学生只需透过较少而且他们比较熟悉的技术细节就可以领悟实验过程及其中的原理，像这样简单直观、痛快淋漓、毫不拖泥带水的实验方法，用在物理教学上，给学生和老师本身就是一种智慧的熏陶和享受。类似的例子还有不少，我们若能留心分析积累，培养出洞察的眼力，你自己有朝一日也会创制出几个出色的实验来，给你的同行和学生送上智慧的美食。此外，还有几个问题在疑难实验的学习和研究中也是需要加以注意的。首先，必须高度重视对疑难实验的学习和研究。由于众所周知的原因，目前在不少中学，仍存在着不重视实验的教师仍能受到重视、实验技能低下的教师也能成为教学骨干甚至“教学能手”的不正常现象，这就误导了优秀教师的标准。因为对中学物理教师而言，不像大学教师那样有专业方向的分工，虽然，不同的教师都因个人的特长而会形成自己独特的教学风格。但具有较强的实验教学技能和一定的实验研究能力是对每一个中学物理教师的基本要求，更不用说对优秀教师了。只会凭空口讲实验、用粉笔在黑板上“做”实验的教师就不是一个真正合格的中学物理教师，因为这样的教师在基本的教学技能上尚未达标。物理理论的指导，首先表现在应用物理学的原理去发现、甄别实验中的科学性问题。例如，如图4所示的是一个说明“液体压强随深度增大”的实验，图中从圆筒上高度不同的三个小孔流出的水射在水平放置的接水盆中，小孔离地越低、射程越远，据此说明液体压强随深度增大。但实际上并非总是如此，我们只要在图4所示的装置中，将接水盆的位置上移，就会得到不同的结果。若在如图5的虚线所示的位置接水，从图中不难看出，从离地最低的一个小孔流出的水反而射程最小，实际的实验结果也完全有可能如此。这样的实验怎么能说明问题？又如，如图6所示的是一个旨在说明气体的导电性的实验。两个验电器一个带正电，另一个带负电，并使它们的导电杆上的导电球相互靠近，当将酒精灯火焰移于两个导电球之间时，就会见到原来稳定张开的两验电器指针都迅速闭合为零。从实验现象的原因来说，确实是由于火焰使气体电离从而导致气体变为导体所致，但是，让两个验电器一个带正电、另一个带负电的做法，明显地传递着正电通过导电的气体与负电中和的信息。但实际上即使让两个验电器都带正电或都带负电，结果也是一样的。这样，一个验电器上的正电通过导电的气体与另一个验电器上的负电中和的意思就值得怀疑了。如图所示，容器内水的高为0h，水自离自由表面h深的小孔流出。求在多深的地方开孔（也就是h取多少时），可使水流具有最大的水平射程。最大的水平射程等于多少？解：根据伯努利方程20021vpghp得ghv2图4图5图64又由2021gthh有ghht)(20所以hhhvtx)(20由上式可知2/0hh时，x最大为0maxhx物理理论的指导，也表现在要从物理理论思维和实验方法之间关系的高度、正确地理解和把握实验在教学上应用的目标和方向，如磁感线、电场线等本身只是一种理论模型，用实验表现这些模型的目的是帮助学生理解、构造模型。但若处理不当，致使学生误认为真正存在这样的场线，就违背了实验的初衷，得不偿失，实验的目的决不是为了代替理论思维，好的教学物理实验应该是学生把握现象、理解物理本质所需的桥梁。物理理论的指导，还表现在对实验设计与改进的正确思路、对探究实验疑难形成关键的导向作用。晶体的熔化与凝固实验、电磁振荡实验、自感实验和光电效应演示实验等就是很典型的例子，如果不从物理原理出发、不深入分析研究实验现象背后的物理规律，只凭经验盲目尝试，要真正解决这些疑难实验问题是不可能的。总之，切不可因为是中学物理范围内的实验内容而降低理论思维的起点。谈到理论指导，还不能忘了教育理论的指导。作为教学的物理实验，除了要有物理理论的根据、反映物理思想外，还要符合教学原则、反映教学思想。这个问题比较复杂，不容易三言两语说明白。但是，有一点是可以非常明确地提出的，那就是通过实验的教学应用，应该有效地促进学生的有意义学习过程，避免机械学习过程。这应该成为贯穿整个教学物理实验设计与改进过程始终的教学思想，所谓的“有意义学习过程”，是与“机械学习过程