中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)研究

1、3中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)研究一、中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)研究概述隨著教學(xué)改革的深化，物理實(shí)驗(yàn)在物理教育特別是中學(xué)物理教育中的作用和地位顯得更加突出。然而 要真正運(yùn)用好物理實(shí)驗(yàn)，使之對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮出獨(dú)特的作用，卻不是一個(gè)簡單的問題。因?yàn)樗枰?既要有物理學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)，又要有教育學(xué)、心理學(xué)和教學(xué)法的知識(shí)，還必須腳踏實(shí)地親手實(shí)踐，因此 能否在教學(xué)中有效地、恰到好處地運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上可以綜合地反映一個(gè)中學(xué)物理教師的教學(xué)能力和 知識(shí)水平。無論是作為未來的還是在職的中學(xué)物理教師，為什么要進(jìn)行中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)的專題學(xué)習(xí)和研究呢?中學(xué)物理中有哪些疑難實(shí)驗(yàn)需要研究？如何才能通過學(xué)習(xí)真正提高自己解決疑難實(shí)驗(yàn)問題的

2、能力呢？下 面分三個(gè)方面來闡述這些問題。（一）、使人大傷腦筋的中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)在中學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生們對(duì)物理課堂上老師如何能將一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)表演成功的奧秘是缺乏了解的，也多半 不太清楚老師的那“臺(tái)上幾分鐘”，用到的卻是“臺(tái)下幾天功”。當(dāng)他（她）們有時(shí)看到實(shí)驗(yàn)的效果不好或 甚至做不成功時(shí)，他（她）們也不一定有興趣弄清楚其中的原因，到了大學(xué)學(xué)習(xí)階段，同學(xué)們雖然做了不 少實(shí)驗(yàn)，但一方面由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直接針對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的相對(duì)較少，另一方面不少同學(xué)在做實(shí)驗(yàn)時(shí)有圖任 務(wù)、為交實(shí)驗(yàn)報(bào)告而做實(shí)驗(yàn)的傾向，真正轉(zhuǎn)換到作為一個(gè)中學(xué)物理教師的角色、對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仔細(xì)鉆研的同 學(xué)尚不多見，這樣到中學(xué)實(shí)習(xí)時(shí)，一些同學(xué)碰到令有經(jīng)驗(yàn)的教

3、師都感到困難的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，并沒有意識(shí)到 會(huì)有什么麻煩，沒有用足夠的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以為照著中學(xué)課本上所述的方法去做就行了，結(jié)果是不斷碰釘子。例如，高中物理課本中機(jī)械波概念 的引入，教材上用的是一個(gè)如圖 1所示的繩波演示實(shí)驗(yàn)，按課本所述，用手 拿著一根繩子的一端（另一端固定）上下擺動(dòng)，就會(huì)看到一列凹凸相間的波 向繩子的另一端傳去。但拉著繩子的一端上下擺動(dòng)了老半天，卻只見整條繩 子在擺動(dòng)，而不見明顯的波，實(shí)際上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)要想演示出課本所說的現(xiàn)象， 在繩子的選擇上很有講究，繩子如何懸掛以及手拿繩子如何擺動(dòng)也都是個(gè)問 題，并不是隨便拿根繩子、隨便搖兩下就可以搖出波來的。而這些細(xì)節(jié)，作 為以中學(xué)生為讀

4、者對(duì)象的中學(xué)物理課本一般是不會(huì)特別地加以說明的。類似 的如光電效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)也是如此，照課本介紹，把一塊擦得很亮的鋅板連 接在如圖2所示的驗(yàn)電器上，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針就張開一個(gè)角 度。但實(shí)際上，用弧光燈或紫外線燈照射了老半天，卻不見驗(yàn)電器指針有要 張開的跡象，還有一些實(shí)驗(yàn)，如牛頓第二定律的驗(yàn)證、用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等，雖然均能完 成，但實(shí)驗(yàn)誤差太大，結(jié)果令人失望，這樣的實(shí)驗(yàn)挫折經(jīng)歷多次后，教師往往會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生畏懼心理，久 而久之雖然教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，有些還成為了教學(xué)骨干，但不少實(shí)驗(yàn)在他們的手中，疑難程度卻沒有相應(yīng) 地降低。（二）、疑難實(shí)驗(yàn)形成的原因分析中學(xué)物理中竟然還有這么

5、多的疑難實(shí)驗(yàn)？這是大多數(shù)教師特別是新教師始料不及的。人們不禁要問，中學(xué)物理范圍內(nèi)主要涉及的大都是物理學(xué)中比較成熟的知識(shí)內(nèi)容，怎么還會(huì)有疑難實(shí)驗(yàn)?zāi)?？這個(gè)問題不解 決，就會(huì)造成前面所說的由忽視或輕視到畏懼的結(jié)果。首先，作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些課題都早已在實(shí)驗(yàn)室獲 得了解決，但如今作為教學(xué)內(nèi)容編進(jìn)中學(xué)物理教科書中的，就屬于教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)。 作為教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn),和科學(xué)研究中的物理實(shí)驗(yàn)或在其他應(yīng)用領(lǐng)域的物理實(shí)驗(yàn)有一個(gè)最重要的區(qū)別，那就是教學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 不僅要體現(xiàn)物理思想、符合科學(xué)性原則，而且必須反映教學(xué)思想、符合教學(xué)原則。例如，簡諧運(yùn)動(dòng)圖像的 描繪實(shí)驗(yàn)，從技術(shù)上來說，有很多的方法可以描繪出正弦或余弦曲線。

6、但若設(shè)計(jì)成如繪圖儀那樣的圖像描繪儀，雖然具有自動(dòng)化程度和可靠性高、操作簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，但若考察教學(xué)目的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)必要的一點(diǎn) 就是要在所獲得的圖像與振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)之間建立起盡可能直接的、必然的聯(lián)系，以便學(xué)生理解圖像所反映 的物理意義，從這一點(diǎn)來看，如果圖像的描繪是通過一個(gè)自動(dòng)化的裝置來實(shí)現(xiàn)的而其機(jī)理又被有意無意地 置于隱藏地位的話，它就喪失了作為一個(gè)教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)存在所必須有的教學(xué)價(jià)值。為此，就要設(shè)計(jì)出一 個(gè)既簡單直觀又要可靠好用的裝置，這在技術(shù)上提出了更高的要求。同樣的道理，前述的光電效應(yīng)演示實(shí) 驗(yàn)，采用裸露的鋅板并用驗(yàn)電器檢驗(yàn)鋅板上的帶電，從教學(xué)思想上來考慮是很值得的，但在技術(shù)上又大大 地增加

7、了實(shí)驗(yàn)的難度。此外，如電磁（阻尼）振蕩、光學(xué)中的一些實(shí)驗(yàn)等也都有同樣的問題。這樣帶來的 實(shí)驗(yàn)疑難在中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)中占有相當(dāng)大的比例。其次，實(shí)驗(yàn)的難度是相對(duì)于教師的知識(shí)、能力和經(jīng)驗(yàn)而言的。有很多實(shí)驗(yàn)不是疑難問題，但是到了有 些教師手里，卻成了難題。還有一些實(shí)驗(yàn)，如靜電演示實(shí)驗(yàn)，許多前輩學(xué)者的不懈努力，實(shí)驗(yàn)本身已不像 很多人想象的那么難，但是要很好地駕馭它，實(shí)驗(yàn)者必須有比較扎實(shí)的基本功。必須在掌握有關(guān)知識(shí)的同 時(shí)，花時(shí)間去認(rèn)真琢磨、體會(huì)實(shí)驗(yàn)的奧妙，將資料上的分析介紹、別人的經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化為自己的真正理解和切 身體會(huì)，并堅(jiān)持在實(shí)踐中不斷摸索和積累，才能練就出做好靜電實(shí)驗(yàn)的真功夫，然而，許多教師在碰了幾

8、次釘子、特別是在看到許多有經(jīng)驗(yàn)的教師對(duì)靜電實(shí)驗(yàn)也感到頭痛之后，沒有信心和恒心深入鉆研下去。結(jié) 果，靜電實(shí)驗(yàn)在很多教師的手里成了頭號(hào)疑難實(shí)驗(yàn)，只有在天氣干燥的氣候條件下才敢在課堂上演示。此外，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器本身的缺陷也是導(dǎo)致疑難實(shí)驗(yàn)問題的一個(gè)重要原因。由于體制的問題，現(xiàn)有 的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備還較普遍地存在許多不如人意的地方。主要表現(xiàn)：一是在儀器的生產(chǎn)和配備上 對(duì)新技術(shù)、新成果的反映太遲鈍，這樣使得一些已經(jīng)很好地解決了的疑難問題由于沒有新的儀器可用而依 然疑難如故；二是不少儀器由于粗制濫造導(dǎo)致可靠性很差，使一些根本不難做的實(shí)驗(yàn)由于沒有合格的儀器 可用而成為疑難實(shí)驗(yàn)。（三）、疑難實(shí)驗(yàn)的研究方

9、法及要注意的問題從事任何學(xué)習(xí)與研究，只有抓住問題一個(gè)一個(gè)地、扎扎實(shí)實(shí)地鉆研下去，才可能掌握到真正屬于自己的知識(shí)、練就出獨(dú)立解決問題的能力，這里不存在投機(jī)取巧的捷徑可走，疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與研究也不例外。但在扎實(shí)努力的前提下，如何才能舉一反三、活學(xué)活用，則是我們大家所希望的，為此，要求我們在學(xué)習(xí)和研究的過程中，不僅要針對(duì)教學(xué)的需要，一個(gè)一個(gè)地解決問題，積累知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，而且要善于透過具體 的疑難實(shí)驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)共同的、規(guī)律性的東西。具體來說，研究疑難實(shí)驗(yàn)，了解和掌握盡可能多的有關(guān) 前人研究的資料信息是很有必要的，但一定要特別注重從眾多的表面差別甚大的實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)掘和把握其 中蘊(yùn)含的實(shí)驗(yàn)方法。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)方

10、法是物理實(shí)驗(yàn)的靈魂，深入不到實(shí)驗(yàn)方法的層次就駕馭不了疑難實(shí)驗(yàn)。疑 難實(shí)驗(yàn)之所以成為疑難，說到底，就是尚未找到滿意的實(shí)驗(yàn)方法，許多漂亮的實(shí)驗(yàn)方法不僅提供給我們化 解疑難實(shí)驗(yàn)所需的知識(shí)和技術(shù)竅門，而且更重要的是可以給予我們智慧的啟迪和激勵(lì)，使對(duì)它敏感、勤于 思考的人獲得創(chuàng)造性地解決問題的能力，我們知道，直流電動(dòng)機(jī)中，有一個(gè)被稱為直流電機(jī)構(gòu)造特征的重 要部件一一換向器，它的作用就是對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)周期性地改變輸入電流的方向，使線圈得以持續(xù) 地轉(zhuǎn)動(dòng)。如果要你設(shè)計(jì)一個(gè)簡化的、不用換向器的電動(dòng)機(jī)，你會(huì)怎么辦？根據(jù)磁場對(duì)通電線圈作用的特點(diǎn), 不用換向器的話，要么周期性地改變磁場，要么就采用可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)

11、周期性地變化的電源，使得磁場力始終起促進(jìn)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。這樣，很可能設(shè)計(jì)出一個(gè)更復(fù)雜而不是簡化的電動(dòng)機(jī)，如圖3所示的是一個(gè)將線圈引出線當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸使用、既省去了軸也省去了換向器的直流 電動(dòng)機(jī)，它采取斷續(xù)供電的辦法，即只在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的半個(gè) 周期內(nèi)才輸入電流，另半個(gè)周期內(nèi)線圈由于未通電而不受 磁場力的作用，借助慣性，線圈的運(yùn)動(dòng)并不會(huì)停止。從實(shí) 驗(yàn)方法來看，這樣省去換向器是不是簡單巧妙？但是又如 何來實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈的斷續(xù)供電呢？這看來又是一個(gè)不那么簡單的問題。而在圖 3所示的裝置中，用的方法是將線圈引 出線一端的絕緣漆全部刮去，而另一端則只刮去一半，使得線圈在每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過程中，只有半圈的時(shí)間 由于引出線兩

12、端都是刮去絕緣漆的導(dǎo)體面與導(dǎo)體支座接觸而有電流輸入。實(shí)驗(yàn)方法簡單得出奇，卻漂亮得 令人叫絕！這樣的方法突出了實(shí)驗(yàn)原理，使學(xué)生只需透過較少而且他們比較熟悉的技術(shù)細(xì)節(jié)就可以領(lǐng)悟?qū)?驗(yàn)過程及其中的原理，像這樣簡單直觀、痛快淋漓、毫不拖泥帶水的實(shí)驗(yàn)方法，用在物理教學(xué)上，給學(xué)生 和老師本身就是一種智慧的熏陶和享受。類似的例子還有不少，我們?nèi)裟芰粜姆治龇e累，培養(yǎng)出洞察的眼 力，你自己有朝一日也會(huì)創(chuàng)制出幾個(gè)出色的實(shí)驗(yàn)來，給你的同行和學(xué)生送上智慧的美食。此外，還有幾個(gè)問題在疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和研究中也是需要加以注意的。首先，必須高度重視對(duì)疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和研究。由于眾所周知的原因，目前在不少中學(xué)，仍存在著不 重視實(shí)

13、驗(yàn)的教師仍能受到重視、實(shí)驗(yàn)技能低下的教師也能成為教學(xué)骨干甚至“教學(xué)能手”的不正?，F(xiàn)象， 這就誤導(dǎo)了優(yōu)秀教師的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)閷?duì)中學(xué)物理教師而言，不像大學(xué)教師那樣有專業(yè)方向的分工，雖然，不 同的教師都因個(gè)人的特長而會(huì)形成自己獨(dú)特的教學(xué)風(fēng)格。但具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能和一定的實(shí)驗(yàn)研究能 力是對(duì)每一個(gè)中學(xué)物理教師的基本要求，更不用說對(duì)優(yōu)秀教師了。只會(huì)憑空口講實(shí)驗(yàn)、用粉筆在黑板上“做”實(shí)驗(yàn)的教師就不是一個(gè)真正合格的中學(xué)物理教師，因?yàn)檫@樣的教師在基本的教學(xué)技能上尚未達(dá)標(biāo)。物理理論的指導(dǎo)，首先表現(xiàn)在應(yīng)用物理學(xué)的原理去發(fā)現(xiàn)、甄別實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)性問題。例如，如圖4所示的是一個(gè)說明“液體壓強(qiáng)隨深度增大”的實(shí)驗(yàn)，圖中從圓筒

14、上高度不同的三個(gè)小孔流出的水射在水平放 置的接水盆中，小孔離地越低、射程越遠(yuǎn)，據(jù)此說明液體壓強(qiáng)隨深度增大。但實(shí)際上并非總是如此，我們只要在圖4所示的裝置中，將接水盆的位置上移，就會(huì)得到不同的結(jié)果。若在如圖5的虛線所示的位置接水，從圖中不難看出，從離地最低的一個(gè)小孔流出的水反而射程最小，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也完全有可能如此。這樣的實(shí)驗(yàn)怎么能說明問題？又如，如圖6所示的是一個(gè)旨在說明氣體的導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)驗(yàn)電器一個(gè)帶正電，另一個(gè)帶負(fù)電，并使它們的導(dǎo)電桿上的導(dǎo)電球相互靠近，當(dāng)將酒精燈火焰移于兩個(gè)導(dǎo)電球之間時(shí)，就會(huì)見到原來穩(wěn)定張開的兩驗(yàn)電器指針都迅速閉合為零。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因來說，確實(shí)是由于火焰使氣體 電

15、離從而導(dǎo)致氣體變?yōu)閷?dǎo)體所致，但是，讓兩個(gè)驗(yàn)電器一個(gè)帶正電、另一個(gè)帶負(fù)電的做法，明顯地傳遞著 正電通過導(dǎo)電的氣體與負(fù)電中和的信息。但實(shí)際上即使讓兩個(gè)驗(yàn)電器都帶正電或都帶負(fù)電，結(jié)果也是一樣 的。這樣，一個(gè)驗(yàn)電器上的正電通過導(dǎo)電的氣體與另一個(gè)驗(yàn)電器上的負(fù)電中和的意思就值得懷疑了。如圖所示，容器內(nèi)水的高為 h0 ,水自離自由表面h深的小孔流出。求在多深白地方開孔（也就是h取多少時(shí)），可使水流具有最大的水平射程。最大的水平射程等于多少？-h- X f解：根據(jù)伯努利方程1-2Pogh t P0 一 v2又由1.2h0 _ h = 2 gtt= 2m 川, g所以x = vt = 2 (h0 - h)h由上

16、式可知 h = h0 / 2時(shí)，x最大為xmax物理理論的指導(dǎo)，也表現(xiàn)在要從物理理論思維和實(shí)驗(yàn)方法之間關(guān)系的高度、正確地理解和把握實(shí)驗(yàn)在 教學(xué)上應(yīng)用的目標(biāo)和方向，如磁感線、電場線等本身只是一種理論模型，用實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)這些模型的目的是幫 助學(xué)生理解、構(gòu)造模型。但若處理不當(dāng)，致使學(xué)生誤認(rèn)為真正存在這樣的場線，就違背了實(shí)驗(yàn)的初衷，得 不償失，實(shí)驗(yàn)的目的決不是為了代替理論思維，好的教學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是學(xué)生把握現(xiàn)象、理解物理本質(zhì)所 需的橋梁。物理理論的指導(dǎo)，還表現(xiàn)在對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)的正確思路、對(duì)探究實(shí)驗(yàn)疑難形成關(guān)鍵的導(dǎo)向作用。晶 體的熔化與凝固實(shí)驗(yàn)、電磁振蕩實(shí)驗(yàn)、自感實(shí)驗(yàn)和光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)等就是很典型的例子，

17、如果不從物理 原理出發(fā)、不深入分析研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理規(guī)律，只憑經(jīng)驗(yàn)盲目嘗試，要真正解決這些疑難實(shí)驗(yàn)問題 是不可能的?？傊胁豢梢?yàn)槭侵袑W(xué)物理范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容而降低理論思維的起點(diǎn)。談到理論指導(dǎo)，還不能忘了教育理論的指導(dǎo)。作為教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)，除了要有物理理論的根據(jù)、反映 物理思想外，還要符合教學(xué)原則、反映教學(xué)思想。這個(gè)問題比較復(fù)雜，不容易三言兩語說明白。但是，有 一點(diǎn)是可以非常明確地提出的，那就是通過實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)該有效地促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)過程，避 免機(jī)械學(xué)習(xí)過程。這應(yīng)該成為貫穿整個(gè)教學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)過程始終的教學(xué)思想，所謂的“有意義學(xué) 習(xí)過程”，是與“機(jī)械學(xué)習(xí)過程”相對(duì)立的，它的

18、實(shí)質(zhì)“就是符號(hào)所代表的新知識(shí)與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已 有的適當(dāng)知識(shí)建立非人為的（非任意的）和實(shí)質(zhì)性的（非字面的）聯(lián)系。這就要求我們在教學(xué)中，要特別 注意將新知識(shí)的傳授與學(xué)生已有的概念和理解聯(lián)系起來，在學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和組織我們的 教學(xué)。否則學(xué)生頭腦中充斥的多是些人為建立的聯(lián)系，也就是靠模仿和記憶得來的東西。物理教與學(xué)都被 降格成在頭腦中發(fā)生的“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”，就只能是徒有智力活動(dòng)的虛名了。本來，物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的地位受到肯定的重要原因之一，就是它具有培養(yǎng)學(xué)生能力的教育功能，但從功能到變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)之間還需要有精心 的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和有效的教學(xué)過程。否則，機(jī)械學(xué)習(xí)在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的情境下照樣可以大行其道。例如

19、，滑線變阻 器是一個(gè)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中最常用的儀器之一，學(xué)生自己使用和看老師使用的次數(shù)應(yīng)該不算少。但即使是在 大學(xué)生中，不能正確地自己獨(dú)立使用它的人仍不少。因?yàn)樗麄冊谝酝膶W(xué)習(xí)中，只是照方抓藥、依葫蘆畫 瓢地對(duì)著那些實(shí)驗(yàn)講義或練習(xí)冊連線，根本就沒有弄懂這樣一個(gè)并不復(fù)雜的儀器的結(jié)構(gòu)、原理和各個(gè)部件 的功用。這樣的機(jī)械學(xué)習(xí)怎么能產(chǎn)生培養(yǎng)能力的效果！又如，在簡諧運(yùn)動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)中，我們知道， 實(shí)驗(yàn)要求保證記錄底板勻速直線運(yùn)動(dòng)，這在技術(shù)上不難實(shí)現(xiàn)，但從學(xué)生理解的角度考慮，應(yīng)該先確定記錄 底板的運(yùn)動(dòng)是否勻速，否則，就會(huì)出現(xiàn)根據(jù)所得出的圖線是否為正弦或余弦曲線來判斷記錄底板的運(yùn)動(dòng)是 否勻速的邏輯混亂。最后，

20、也是最重要的，就是要以科學(xué)的態(tài)度對(duì)待疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與研究。科學(xué)態(tài)度首先是實(shí)事求是的 態(tài)度，那種當(dāng)學(xué)生時(shí)抄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作弊、 作老師時(shí)由于自己的無知使實(shí)驗(yàn)失敗卻欺騙學(xué)生是儀器不好的傾向, 是阻礙自己提高的最大障礙。此外，在實(shí)事求是的前提下，科學(xué)態(tài)度還應(yīng)表現(xiàn)為批判性的態(tài)度。疑難實(shí)驗(yàn) 的研究是在不斷發(fā)展的，沒有一成不變的釋疑方法，需要不斷創(chuàng)新。即使一些很出色的解決方法，可能它 們保持先進(jìn)地位的時(shí)間要長一些，但也要用批判的眼光去消化、吸收它，囪囹吞棗式的學(xué)習(xí)是難以獲得真 知的。要成為一個(gè)有創(chuàng)造性的優(yōu)秀教師，真正重要的是要培養(yǎng)自己敏于發(fā)現(xiàn)并抓住問題、勤于分析研究問 題和善于解決問題的能力。二、運(yùn)動(dòng)和力的實(shí)驗(yàn)

21、研究運(yùn)動(dòng)和力是中學(xué)物理教學(xué)中存在己久的一個(gè)難點(diǎn)，其形成的原因是多方面的，但一個(gè)重要的原因，就 是我們在物理課上講述的許多概念和規(guī)律，往往與學(xué)生在長期的生活中通過對(duì)自然現(xiàn)象的自發(fā)觀察和其他 途徑形成的、已為他們自己所理解的觀念和看法相矛盾。因此，在物理教學(xué)中做好有關(guān)的實(shí)驗(yàn)十分重要， 特別是要通過實(shí)驗(yàn)設(shè)置引起認(rèn)知沖突的情境，使學(xué)生自我意識(shí)到個(gè)人理解的局限和問題所在以及物理理論 的優(yōu)越。然而，這一部分的實(shí)驗(yàn)看似容易實(shí)則疑難問題甚多，像時(shí)空的記錄、力的測量等都是經(jīng)典的但人 們從未停止探索的問題，在中學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)條件和教學(xué)要求的前提下，如何做好運(yùn)動(dòng)和力的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很 值得研究的課題。從實(shí)驗(yàn)上來說，研究運(yùn)

22、動(dòng)和力關(guān)鍵要解決的是運(yùn)動(dòng)的描述即運(yùn)動(dòng)規(guī)律、力的測量以及力 與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的問題，下面我們分別來討論。（一）、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究1、運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究的基本問題和主要困難要精確地描述運(yùn)動(dòng)、把握運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，就要對(duì)運(yùn)動(dòng)體在空間的位置進(jìn)行定量的測量和記錄，而且要求測量記錄與位置相對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息。例如研究一個(gè)運(yùn)動(dòng)員百米跑的問題，若我們想知道他的百米跑整體 （平均）速度，需解決的空間測量問題是起跑線和終點(diǎn)線的確定，時(shí)間測量問題則是要確定運(yùn)動(dòng)員在發(fā)令起跑 與過終點(diǎn)沖線時(shí)分別對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。常見的具體測量方法是我們大家都很熟悉的。若我們不滿足于了解一個(gè) 運(yùn)動(dòng)員百米跑的整體快慢，而是想更細(xì)致地研究他在各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)快慢，

23、那就要在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間增設(shè) 若干個(gè)測時(shí)點(diǎn)并測出這些點(diǎn)的空間位置，記錄運(yùn)動(dòng)員在起跑和經(jīng)過這些位置的時(shí)刻.根據(jù)這些信息來研究 他在更短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。像這種聯(lián)系著時(shí)間和空間的測量就是運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究的基本問題。我們不妨把 它稱為時(shí)空記錄。歷史上第一個(gè)科學(xué)地、條理清晰地表述了運(yùn)動(dòng)的是枷利略，他認(rèn)識(shí)到，在自然界能夠觀察得到的所有 運(yùn)動(dòng)中，自由落體是弄清楚這些運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。從實(shí)驗(yàn)的角度來講，研究自由落體運(yùn)動(dòng)要解決的也是時(shí)空的 記錄問題。與前面提到的研究運(yùn)動(dòng)員在百米跑過程中速度變化的問題原則上是一樣的。但是，在當(dāng)時(shí)的條 件下，直接對(duì)自由落體進(jìn)行時(shí)空記錄是不可能的，因?yàn)橄侣溥^程中落體速率增加得太快，因此伽利略采

24、用 斜面來“沖淡引力”。今天，技術(shù)手段的進(jìn)步使我們也可以直接對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行時(shí)空記錄，閃光照 相就是一個(gè)例子，但是對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來說，這類的實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)過程顯得過于復(fù)雜了一些。有了這 樣的要求后，棘手的問題就產(chǎn)生了。因?yàn)樵谖矬w運(yùn)動(dòng)較快時(shí)，要詳細(xì)研究運(yùn)動(dòng)過程而不僅僅是起始和終了 兩個(gè)狀態(tài)，對(duì)時(shí)空記錄的要求就提高了，它不僅要求有一定的精確度，而且不能干擾研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。僅 靠簡單的實(shí)驗(yàn)器材要達(dá)到這樣的要求顯然不是一件容易的事情。2、運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究的基本方法如前所述，運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究要解決的主要是時(shí)空記錄的問題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法的不同，時(shí)空記錄可分 為按時(shí)定位、按位定時(shí)和時(shí)位同定三類。下面分別

25、介紹這三類時(shí)空記錄方法的特點(diǎn)和一些相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（1） .按時(shí)定位按時(shí)定位就是根據(jù)事先設(shè)定的時(shí)間信息來記錄運(yùn)動(dòng)物體空間位置的實(shí)驗(yàn)方法。使用節(jié)拍器研究物體的運(yùn)動(dòng)就是最典型的按時(shí)定位方法，這種方法非常簡單，但比較粗糙，只能用于比較緩慢的運(yùn)動(dòng)的研究。特別是對(duì)于勻速直線運(yùn)動(dòng)的研究，不失為一種簡便可行的實(shí)驗(yàn)方法。（2） .按位定時(shí)按位定時(shí)就是在運(yùn)動(dòng)物體必經(jīng)的路徑上事先確定出計(jì)時(shí)點(diǎn)并測得它們的空間位置，根據(jù)物體經(jīng)過這些 點(diǎn)的時(shí)刻來研究其運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法，前面所舉的研究運(yùn)動(dòng)員百米跑的例子就是用按位定時(shí)的實(shí)驗(yàn)方法。我 們大家熟悉的用光電門計(jì)時(shí)研究運(yùn)動(dòng)的方法采用的也就是按位定時(shí)方法。（3） .時(shí)位同定時(shí)位同定就

26、是在記錄時(shí)間的同時(shí)記錄運(yùn)動(dòng)體空間位置的實(shí)驗(yàn)方法。閃光照相、打點(diǎn)計(jì)時(shí)就是典型的時(shí) 位同定方法，由閃光照相得到的照片上的運(yùn)動(dòng)體影像或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在記錄紙上記下的點(diǎn)，不僅反映了物體 所處的位置，而且包含有與這些位置相對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，因?yàn)檫@些影像或記錄點(diǎn)都是每隔一定的相等的時(shí) 間間隔得到的。然而，要拍出一張閃光照相來，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過程都較復(fù)雜。因而未能在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 中被普遍采用。目前，中學(xué)實(shí)驗(yàn)室普遍使用的是電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，但這種計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)針在擊打記錄紙帶 的時(shí)候?qū)εc紙帶相連的運(yùn)動(dòng)體有較大的影響，造成的實(shí)驗(yàn)誤差過大。于是有人采用水彩筆代替原來的金屬 打點(diǎn)針，用硬度相對(duì)較低、頭部較鈍的筆頭直接在記錄紙

27、帶上打點(diǎn)。這樣可以在一定程度上減少打點(diǎn)給運(yùn) 動(dòng)帶來的影響.但是這種方法并沒有從根本上改變打點(diǎn)器與記錄紙之間的“硬”接觸，將這種“硬”接觸 改為“軟”接觸，很自然就成為了很多改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路。談到用“軟”接觸的辦法記錄時(shí)空信息，我們不妨先回到古老的滴水計(jì)時(shí)器。如圖7所示，用一漏斗型容器裝上水，當(dāng)漏斗出水口直徑足夠小時(shí)，漏出的水就不再是成線狀的而是一點(diǎn)一滴地往下滴。水滴從 漏斗口滴出的快慢由口的大小決定且時(shí)間間隔基本不變，若出水口較大可在其上套一段乳膠管再夾上一個(gè) 可調(diào)松緊的止水夾，就成為一個(gè)滴水周期可調(diào)的滴水計(jì)時(shí)器。將這樣的計(jì)時(shí)器安裝在小車上，當(dāng)小車靜止 時(shí)，每隔相等的時(shí)間間隔滴出的（墨）

28、水滴就落在底板的同一位置上，而當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，滴出的水滴就會(huì) 落在底板上的不同位置，反映出對(duì)應(yīng)時(shí)刻小車的空間位置。這顯然是一種“軟”接觸的記錄辦法，用這種 方法，水滴出的時(shí)間間隔不可能做到很短，因而在運(yùn)動(dòng)體速度較快時(shí)，在有限的運(yùn)動(dòng)距離內(nèi)得到的計(jì)時(shí)點(diǎn) 不夠多。而且，計(jì)時(shí)的精確度也不夠高。于是，針對(duì)傳統(tǒng)的滴水計(jì)時(shí)器的這些問題，出現(xiàn)了許多噴（墨） 水式計(jì)時(shí)器。如圖8所示的是一種典型的噴（墨）水式的計(jì)時(shí)方法示意圖，由注射器射出的墨水經(jīng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤圖 9上的小孔射到運(yùn)動(dòng)的記錄紙上， 轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈，就有墨水 經(jīng)小孔射出，在記錄紙上留下一個(gè)墨點(diǎn)。 因此墨水射出的 時(shí)間間隔就是轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的周期， 只要能使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)

29、速保持不 變，這個(gè)時(shí)間間隔就可以很簡單地測出。湖南桑植一中符興肅進(jìn)一步考慮，去掉轉(zhuǎn)盤，改為用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驅(qū)動(dòng) 注射器針頭振動(dòng)，使振動(dòng)的針頭在運(yùn)動(dòng)的記錄紙上留下一 條振動(dòng)曲線，如圖9所示，由于振動(dòng)周期已知， 只要分析 處理這條曲線就可得到與記錄紙相連的運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律。進(jìn)一步地想，如果用一個(gè)周期性的力驅(qū)動(dòng)圖8所示的注射器活塞，使其每隔一定時(shí)間噴射一個(gè)墨點(diǎn),就可將轉(zhuǎn)盤完全省去。湖南郴州一中段力江設(shè)計(jì)的“電磁噴液計(jì)時(shí)器”就是這樣的一個(gè)將噴墨與周期性振動(dòng)融為一體實(shí)現(xiàn)間斷噴墨的裝置。如圖10所示，噴墨盒類似一個(gè)活塞式水泵，它的上面是可以上下振動(dòng)的振動(dòng)膜，起活塞的作用，底面接噴頭和墨水盒的兩孔處各安放

30、 一個(gè)很小的玻璃珠，分別起噴墨閥和吸墨閥的作用。當(dāng)振動(dòng)膜被上提時(shí)，噴墨閥關(guān)閉,吸墨閥開啟，從墨水盒中往上吸進(jìn)墨水；當(dāng)振動(dòng)膜被下壓時(shí)，吸墨閥關(guān)閉，噴墨閥開 啟，即可從噴墨盒中經(jīng)噴頭向外噴出墨水。而驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜上下振動(dòng)的，則是通以電磁 脈沖的線圈對(duì)與振動(dòng)膜相連的銜鐵所施加的電磁力。這樣從噴頭噴出的將是與振動(dòng)膜的振動(dòng)完全同步的墨點(diǎn)，由于電磁脈沖系由50Hz的交流市電經(jīng)半波整流而得，墨點(diǎn)噴出的時(shí)間間隔就是 0.02s。類似思路的噴墨計(jì)時(shí)器還有多種。從實(shí)驗(yàn)方法的角度分析，以上介紹的幾種噴墨 計(jì)時(shí)方法都比較巧妙，很有價(jià)值；從實(shí)驗(yàn)效果來看，由于采用噴墨實(shí)現(xiàn)“軟”接觸，大大地減小了計(jì)時(shí)過程對(duì)運(yùn)動(dòng)過程本身的干擾。

31、可較顯著地減小實(shí)驗(yàn)誤差。然而，這類噴墨計(jì)時(shí)裝置在操作上還存在不夠簡便、可靠性不夠高的問題。怎樣在保持“軟”接觸的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提高可靠性和簡化操作呢？利用電火花打點(diǎn) 的方法可以較好地解決這個(gè)問題；所謂電火花打點(diǎn)就是用一個(gè)可輸出高壓弱電流脈沖（與輸入的交流市電 同步）的靜電高壓發(fā)生器，使運(yùn)動(dòng)體和記錄紙之間產(chǎn)生周期性的且與輸入交流市電同頻率的火花放電，從 而在記錄紙上留下類似電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一樣效果的記錄點(diǎn)。目前，按這種思路設(shè)計(jì)的儀器產(chǎn)品一一火花計(jì) 時(shí)器已有供應(yīng)，且在 1997年公布試用的高中物理新大綱中，被推薦作為替代電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的儀器使用， 從實(shí)驗(yàn)效果上看，使用火花計(jì)時(shí)器基本上可解決前述的問題，

32、但有老師認(rèn)為這種計(jì)時(shí)器從原理上來講不如 電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器簡明，學(xué)生不理解為什么它打點(diǎn)的時(shí)間間隔是均勻的且就是交流電的周期。這在一定程度 上講確是事實(shí)，且從教學(xué)思想、從有利于學(xué)生理解出發(fā)考慮無疑是正確的，但是作為一個(gè)用途較廣的計(jì)時(shí) 儀器，在教學(xué)中應(yīng)用的主要目的是用它作為一個(gè)研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律的時(shí)空記錄工具，而不是它的原理本身，而 且學(xué)生對(duì)它的認(rèn)可應(yīng)該是可以隨著使用次數(shù)和實(shí)驗(yàn)成功經(jīng)驗(yàn)的增加而增強(qiáng)的。因此在電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的效 果很難從根本上得到改進(jìn)、其他方法又尚未成熟或條件不具備的情況下，選用火花計(jì)時(shí)器替代電磁打點(diǎn)計(jì) 時(shí)器用于運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，應(yīng)該不失為一種較好的解決辦法。然而，從長遠(yuǎn)來看，應(yīng)用傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)

33、行計(jì)時(shí)探測并通過A/D轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)、由計(jì)算機(jī)通過相應(yīng)的軟件對(duì)探測到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的實(shí)驗(yàn)方法值得關(guān)注。目前，國內(nèi)外已有一些比較成熟的實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)開發(fā)出來，有些對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)也是適用的，由于數(shù)據(jù)的采集、處理和圖像描述都可實(shí)時(shí)進(jìn)行，這樣 的系統(tǒng)用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，不僅可使學(xué)生從讀記數(shù)據(jù)和圖線繪制等繁瑣費(fèi)時(shí)的簡單勞動(dòng)中解脫出來，而 且可以使學(xué)生得到實(shí)時(shí)的反饋信息，有利于他們真正理解測量數(shù)據(jù)所表達(dá)的意義，他們也有時(shí)間和可能對(duì) 實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行更多的改變并及時(shí)得到相應(yīng)的結(jié)果，這樣就能進(jìn)行許多更深入的分析和討論，從而提高實(shí)驗(yàn) 室學(xué)習(xí)過程的質(zhì)量。在促進(jìn)學(xué)生的參與和理解方面，美國塔夫茨大學(xué)的羅納德桑頓教授設(shè)

34、計(jì)的一個(gè)采用聲納式傳感器的 系統(tǒng)很值得一提，他的傳感器叫做“運(yùn)動(dòng)檢測器”，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)小小的聲納系統(tǒng)。它既能發(fā)出短促的超聲波脈沖（50KHz ）,又可以接收被運(yùn)動(dòng)體反射回來的超聲波，發(fā)出的和接收到的脈沖通過 A/D轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)，預(yù)裝有處理軟件的計(jì)算機(jī)可根據(jù)兩脈沖的時(shí)間差計(jì)算出運(yùn)動(dòng)體的距離，加上計(jì)算機(jī)內(nèi)部 時(shí)鐘的作用，就可以連續(xù)地對(duì)運(yùn)動(dòng)體的時(shí)空實(shí)施跟蹤定位，而根據(jù)這種關(guān)于運(yùn)動(dòng)體各個(gè)時(shí)刻位置的信息， 就可以很容易地讓計(jì)算機(jī)迅速地計(jì)算出運(yùn)動(dòng)體的速度和加速度，繪出位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的圖 線也只不過是彈指之間的事。用這樣的系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)出很多能強(qiáng)化學(xué)生的參與和體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。如讓 學(xué)

35、生事先設(shè)計(jì)出一種運(yùn)動(dòng)模式并畫出它的位移、時(shí)間圖線，然后學(xué)生自己在運(yùn)動(dòng)檢測器前走動(dòng)或設(shè)置其他 物體的運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律盡量滿足原先設(shè)計(jì)的模式。這樣學(xué)生就非得動(dòng)腦筋思考有關(guān)的根據(jù)和道理 不可。由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)的位移一時(shí)間圖線可以實(shí)時(shí)地與原設(shè)計(jì)的圖線同時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上（也可以打印 或存盤供詳細(xì)分析研究），學(xué)生就可以很方便地進(jìn)行比較并構(gòu)思改進(jìn)的方向，這樣就使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí) 活動(dòng)生動(dòng)活潑而又真正學(xué)有所得。此外，用攝像機(jī)代替前面所述的超聲波傳感器與計(jì)算機(jī)相連，就成了另一種形式的運(yùn)動(dòng)檢測器。如圖 11所示, 在設(shè)計(jì)思想上有獨(dú)到的考慮。首先，由于使用攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)信息、調(diào)節(jié)軌道傾角的辦法改變滑塊的運(yùn)

36、動(dòng)狀態(tài)， 這樣的系統(tǒng)省去了 一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究裝置需要的一大堆用 于計(jì)時(shí)和施力的設(shè)備，突出了研究對(duì)象本身，同時(shí)，雖然 使用了攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)這樣的先進(jìn)設(shè)備，但他們認(rèn)為不僅 沒有使問題復(fù)雜化，反而更接近自然，因?yàn)閿z像機(jī)就好比 人的眼睛，計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，整個(gè)系統(tǒng)是從人的觀 察、思考角度出發(fā)的人性化設(shè)計(jì)，更有利于學(xué)生從總體上 的理解。此外，用這樣的系統(tǒng)研究運(yùn)動(dòng)，其應(yīng)用的廣泛性 和靈活性是顯而易見的，用它還可以研究二維的運(yùn)動(dòng)、多 個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)甚至模擬的分子運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜的對(duì)象。至于技術(shù)方面，要解決的也是轉(zhuǎn)換接口和處理軟件的問 題，而如今，隨著計(jì)算機(jī)與視像技術(shù)結(jié)合手段的不斷提高，整個(gè)問題變得越來越簡便。特

37、別是利用近年來 問世的數(shù)字式攝像機(jī)，配上合適的軟件，就構(gòu)成一套交互式的視像系統(tǒng)，用它來研究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不 僅非常方便，而且可以進(jìn)行許多用其他手段無法做到的工作，例如，由于實(shí)現(xiàn)了圖像的數(shù)字化，計(jì)算機(jī)不 僅可以在屏幕上實(shí)時(shí)地顯示被攝像機(jī)捕捉到的運(yùn)動(dòng)體的畫面和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理的畫面，而且可以隨心所欲地 進(jìn)行圖像的編輯、搜索、播放等操作，使得對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究內(nèi)容和深度都大大地得到豐富和提高，在當(dāng)前即 使在中學(xué)物理教學(xué)中，引入這樣的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)，也應(yīng)該已不是可望而不可及的事情了。近年來，中 學(xué)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展很快，不少地方現(xiàn)有的設(shè)備條件，就計(jì)算機(jī)來說，已經(jīng)達(dá)到可以將前述的實(shí)驗(yàn)引入學(xué) 生實(shí)驗(yàn)的程度，只需在

38、接口和軟件上進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐鋫渚涂?，鑒于當(dāng)前中學(xué)較普遍地存在計(jì)算機(jī)大材小用的 情況，這樣的工作很有意義，物理教師完全有必要也有可能在其中發(fā)揮自己的作用。（二）、瞬時(shí)速度教學(xué)的困難及其實(shí)驗(yàn)研究瞬時(shí)速度的教學(xué)是公認(rèn)的中學(xué)物理概念教學(xué)的難點(diǎn)，中學(xué)物理教學(xué)大綱和教材對(duì)這一內(nèi)容的要求一降 再降。但是，教學(xué)上如何處理這一學(xué)生理解上有諸多困難的課題，仍然是無法回避的問題。如何發(fā)揮實(shí)驗(yàn) 在克服這一教學(xué)疑難中的作用，應(yīng)該是很值得研究。1、瞬時(shí)速度教學(xué)的困難及其原因分析運(yùn)動(dòng)的物體在某個(gè)時(shí)刻或通過某個(gè)位置確實(shí)存在一個(gè)快慢問題，也就是說有一個(gè)瞬時(shí)速度。然而，中 學(xué)物理教學(xué)中對(duì)這個(gè)概念到底應(yīng)該處理到怎樣的深度？瞬時(shí)速度在理

39、論上如何定義？在實(shí)驗(yàn)上如何測 量？等等。是長期以來公認(rèn)的教學(xué)難點(diǎn)。80年代初，中學(xué)物理教學(xué)界曾對(duì)此進(jìn)行過熱烈的討論，因?yàn)槟菚r(shí)的試用教材對(duì)瞬時(shí)速度概念的處理所用的方法，和普通物理基本上相同。這些年來，對(duì)瞬時(shí)速度概念教學(xué) 的討論似乎冷了下來，因?yàn)榻滩膶?duì)這個(gè)問題的處理一再降低，到 1990年的版本，除了 “運(yùn)動(dòng)物體在某一 時(shí)刻（或通過某一位置）的速度，叫做瞬時(shí)速度”.這樣一個(gè)定義外，就只剩下一段引入的和一段描述汽車速度表總共加起來不到一頁的文字了。可能有人會(huì)認(rèn)為這樣就只需讓學(xué)生知道并記住上面的定義就行 了，不再有什么可討論的。果真如此嗎？如果我們?nèi)チ私庖幌略诖髮W(xué)已經(jīng)學(xué)習(xí)過數(shù)年，即將要走上物理教師工作

40、崗位的大學(xué)生對(duì) 瞬時(shí)速度的理解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)問題的嚴(yán)重性。他們能表述瞬時(shí)速度的概念和普通物理中用極限對(duì)它所作的定義。但我們的問題是，瞬時(shí)速度到底是何意義？既然瞬時(shí)速度不是§"而是AsMt在AtT 0時(shí)的極限，在& t 0時(shí)也有Ast 0 ,而瞬時(shí)速度又不為零， 這在物理上如何理解？ AsAt在At t 0時(shí)的極限與As/&在物理上到底有何聯(lián)系？這一連串的問題，不少大學(xué)生難以清楚地解釋。在中學(xué)物理中，對(duì)瞬時(shí)速度要求學(xué)生實(shí)質(zhì)性地理解聽起來好像目標(biāo)太高，大學(xué)物理教學(xué)似乎更有理由只是從理論上、從數(shù)學(xué)定義 上來闡述這個(gè)概念。由于在這一概念教學(xué)上的銜接問題，大學(xué)生對(duì)這樣的基

41、本物理概念仍不能真正理解就 不足為怪了。那么，在中學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)上，如何促進(jìn)學(xué)生理解瞬時(shí)速度的概念呢？下面從實(shí)驗(yàn)的角度來 探討這個(gè)問題。2、用平均速度近似代替瞬時(shí)速度的測量方法及其教學(xué)應(yīng)用研究要使學(xué)生能實(shí)質(zhì)性地理解瞬時(shí)速度的意義，離不開對(duì)瞬時(shí)速度的測量，特別是對(duì)測量方法和實(shí)驗(yàn)過程 的熟悉和理解，非常有利于學(xué)生把握瞬時(shí)速度的本質(zhì)，用平均速度近似代替瞬時(shí)速度，是最常用的測量瞬 時(shí)速度的方法。對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)來說，由于速度時(shí)時(shí)刻刻都一樣，任取一段時(shí)間At ,將該段時(shí)間內(nèi)物體的位移As與時(shí)間&的比值A(chǔ)s/N計(jì)算出來，即為該段時(shí)間內(nèi)的平均速度，也為物體任意時(shí)刻的瞬時(shí)速度。但是對(duì)于變速運(yùn)動(dòng)，一段時(shí)間的平

42、均速度ss/tt ,只能表示這段時(shí)間內(nèi)物體的平均快慢，不能代表這段時(shí)間內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)速度，更不能表示這段時(shí)間以外的瞬時(shí)速度。但是當(dāng)我們把時(shí)間間隔At取得短一些，則由于時(shí)間間隔的縮短，物體運(yùn)動(dòng)速度變化的幅度也將減小。當(dāng)時(shí)間間隔短到一定程度，使我們所用的測 量儀器再也無法測量出更短的時(shí)間間隔或距離時(shí)，我們就只能用這段時(shí)間內(nèi)的平均速度來表示這段時(shí)間內(nèi) 任意時(shí)刻的瞬時(shí)速度了。這顯然只是近似的表示，但是，由于這段時(shí)間內(nèi)速度的變化很小，我們不計(jì)這種 變化（實(shí)驗(yàn)上也無法計(jì)它了），所帶來的誤差并不大，不影響我們對(duì)物體速度的描述，這樣的近似在物理7實(shí)驗(yàn)上就是完全合理的、也是不可避免的。實(shí)驗(yàn)是要受到儀器的限制的

43、，而思維卻是不受限制的，在前面所述的時(shí)間間隔短到使測量儀器無法測 出更短的時(shí)間或距離的程度時(shí)，我們的思維卻可以不受影響，完全可以繼續(xù)把時(shí)間間隔設(shè)想得更短，因而 在更短的時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)速度的變化幅度就更小。我們最終可以把時(shí)間間隔設(shè)想得無限地短，要多短有多短，這樣物體運(yùn)動(dòng)的速度變化就消失了，平均速度在這種極限條件下成了瞬時(shí)速度。 然而，對(duì)中學(xué)生來說，要從思維上把握瞬時(shí)速度的概念本質(zhì)是不容易的。他們需要在上述的實(shí)驗(yàn)處理方法和理論思維之間的橋梁，能充當(dāng)這種橋梁作用的，就是那種精心設(shè)計(jì)的、能把實(shí)驗(yàn)和理論真正融為一體的教學(xué)。下面介紹的如圖12所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在圖中我們要測的是沿斜面向下加速運(yùn)動(dòng)的物體經(jīng)過E

44、' 0這段位移的平均速度,D' 0、C' 0、B' a A' 0O點(diǎn)的瞬時(shí)速度，而我們實(shí)際上能測的只是物體在一段位移內(nèi)的平均速度。若我 們在設(shè)法保持物體每次的運(yùn)動(dòng)都一樣的情況下重復(fù)多次測量，先測出它在經(jīng)過 然后逐步縮小測量的時(shí)間間隔直到由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制不能再小，依次測出它經(jīng)過的平均速度；接下來把測量點(diǎn)移至O以下，依次測出它經(jīng)過 EO、DO、CO、BO、AO的平均速度。然后可以引導(dǎo)學(xué)生從測量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)物體平均速度變化的特點(diǎn)。在O以上的測量點(diǎn)得到的平均速度值，越接 近。點(diǎn)越大，A' 0段的平均速度VAo最大；而在。點(diǎn)以下的測量點(diǎn)得到的平均速度值，

45、越接近 。點(diǎn)越小,AO段的平均速度Vao最小。不難理解，若要選用平均速度來近似地表示物體過。點(diǎn)的瞬時(shí)速度，Va,o或Vao是最佳測量值。然而，從測量的數(shù)據(jù)比較我們看出，vA,。雖然是從。點(diǎn)以上的測量點(diǎn)得到的最大平均速度值，Vao是從O點(diǎn)以下的測量點(diǎn)得到的最小平均速度值，但是Vao仍然大于Va，o，若測量的時(shí)間間隔還可以進(jìn)一步縮短，即 A'和A點(diǎn)可以進(jìn)一步向 O點(diǎn)移近，則測得的vAo還會(huì)有所增大、Va，o也會(huì)有所減小，但是VAo仍然大于VA'o ,只不過VAo和Va，o的數(shù)值會(huì)更接近。O點(diǎn)的瞬時(shí)速度既不是 Va，o也不是VAo,它應(yīng) 該比Va，。大而比Vao小。在我們想象測量的時(shí)

46、間間隔無限地短，即A'和A點(diǎn)無限地接近于 O點(diǎn)時(shí)，Va，。和Vao的數(shù)值就會(huì)沒有了差別。這個(gè) Va，o和Vao最終趨于同一的數(shù)值就是 O點(diǎn)的瞬時(shí)速度。3、用測量勻速運(yùn)動(dòng)的速度來測量瞬時(shí)速度的實(shí)驗(yàn)方法分析研究Atwood ）于1784年首先通過測量平均速度來測量瞬時(shí)速度的實(shí)驗(yàn)方法，是英國物理學(xué)家阿托伍德（ 提出來的，其設(shè)計(jì)思想巧妙獨(dú)特，深入領(lǐng)會(huì)它對(duì)于理解瞬時(shí)速度會(huì)有幫助。如圖13所示的就是被人們稱為阿托伍德機(jī)的簡化原理圖，阿托伍德設(shè)計(jì)這個(gè)裝置主要用于驗(yàn)證牛頓 第二定律。按阿氏的觀點(diǎn)，力學(xué)實(shí)驗(yàn)分為靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)兩大類。靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)問題一般容易解決，因?yàn)槟Σ?力的存在抵消了外力的作用。而動(dòng)

47、力學(xué)實(shí)驗(yàn)正相反，必須把摩擦力盡量減至最小，同時(shí)要使用恒力進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)，要做到這些不是容易的事。就自由落體實(shí)驗(yàn)來說，研究的下落距離不能太大，因?yàn)槟菢拥脑捤俣冗_(dá)到很高時(shí)，空氣阻力的影響就太大了。然而研究的下落距離不夠長的話， 時(shí)間測量的誤差就大了，于是就有了伽利略用斜面來“沖淡引力”的實(shí)驗(yàn)方法，可是物 體間直接接觸時(shí)，摩擦阻力是比較大的，為減少阻力一般就要采用滾動(dòng)體，但這樣一來 涉及的研究對(duì)象就不能再視為質(zhì)點(diǎn)，此外，產(chǎn)生加速度的力總是和物體本身聯(lián)在一起、 無法分離，以至于不能對(duì)同一個(gè)物體施加不同的外力，也無法將同樣的力施于不同的物 體。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)既能方便地改變研究對(duì)象的質(zhì)量，又能施加恒定的但

48、可以任意 改變的外力于研究對(duì)象以及距離、時(shí)間和速度都可測的實(shí)驗(yàn)裝置。如圖12所示的裝置就能滿足以上的考慮和要求。為了能將產(chǎn)生加速度的力和物體本9身分開，采用一根細(xì)繩兩端各系一個(gè)質(zhì)量相同( M)的物體后跨過滑輪懸掛，這樣的系統(tǒng)有質(zhì)量但可看成 沒有重量，而在圖中右邊的物體上加一個(gè)相對(duì)輕小的物體(m)后，作用在整個(gè)系統(tǒng)上的外力就是該輕小物體的重力 mg,系統(tǒng)的加速度因此得到方便有效的控制。而系統(tǒng)在加速運(yùn)動(dòng)的過程中速度時(shí)刻在變，如 何對(duì)它進(jìn)行測量呢？阿托伍德非常巧妙地解決了這個(gè)問題，按照阿托伍德機(jī)的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)的過 程中，若將那個(gè)對(duì)系統(tǒng)施加外力作用的輕小物體在某個(gè)時(shí)刻突然撤掉，(忽略摩擦的話)

49、系統(tǒng)將處于所受合外力為零的狀態(tài)，此后的運(yùn)動(dòng)就變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)，而這個(gè)容易測出的勻速運(yùn)動(dòng)的速度值，就是在外力被撤 銷那一個(gè)時(shí)刻物體的瞬時(shí)速度。而將外力突然撤掉的方法，也很簡單方便，在圖中右邊物體要經(jīng)過的路線 上設(shè)一個(gè)可上下移動(dòng)的圓孔平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)時(shí)輕小物體m用的是一根長度大于圓孔內(nèi)徑、平放在右邊物體M上的小棍，當(dāng)右邊物體 M穿過圓孔時(shí)，就會(huì)將 m留在圓孔平臺(tái)上。(三)、力的演示與測量實(shí)驗(yàn)研究1、力的定性演示在中學(xué)力學(xué)的范圍，力的定性演示應(yīng)該說不存在太 難的問題。但學(xué)生理解有困難的問題倒不少。需要有精 心設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生釋疑。(1) .微小形變的顯示我們知道，彈力與物體的彈性形變總是聯(lián)系在一起 的

50、。對(duì)于形變明顯的情況，學(xué)生沒有疑問。但是， 當(dāng)講到一本書壓在桌子上，書對(duì)桌子的壓力(彈力) 使桌子發(fā)生了微小的形變時(shí)，要學(xué)生確信就會(huì)有些 困難。因此，要通過實(shí)驗(yàn)，將這類微小的形變加以 放大，使學(xué)生能清楚地觀察到形變的發(fā)生。在中學(xué) 物理課本中，原來采用如圖13所示的裝置來放大桌子的微小形變。后改為如圖14 (1)所示的插有細(xì)玻璃管的盛滿水的玻璃瓶來演示，簡化了實(shí)驗(yàn)裝置。而且由于玻璃是很難形變的材料，能演示出它 的形變更加令人信服。但是，這種演示方法更精彩 的是采用橢圓形而不是圓形的玻璃瓶來演示。 一位 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)者在他的文章中已明確地提出用 “一個(gè)扁 平狀、容積在600ml以上的玻璃墨水瓶”來做這

51、個(gè) 實(shí)驗(yàn)。如圖14 (2)所示，用力擠壓玻璃瓶可見到 細(xì)管中的墨水明顯上升。但是不知是何原因作者寫到這里就結(jié)束了，把體驗(yàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的更精彩部分的樂趣留給了那些喜歡親手實(shí)踐、喜歡質(zhì)疑和重視研究學(xué)生思考的老師，實(shí)際上，只有照如圖14 (2)所示沿橢圓瓶截面短軸方向擠壓時(shí)，才可見到細(xì)管中的墨水上升，而若照如圖14 (3)所示沿瓶截面長軸方向擠壓時(shí)，細(xì)管中的墨水卻會(huì)下降，這就更有力地說明確實(shí)是施力使玻璃瓶發(fā)生了形變。沒有這一步，完全可能 有學(xué)生會(huì)堅(jiān)持認(rèn)為所見到的現(xiàn)象是由于手的傳熱使瓶中之水膨脹所致。(2) .摩擦力方向的實(shí)驗(yàn)演示圖16圖15摩擦力的方向總是與物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢方向相反。對(duì)

52、此，學(xué)生在學(xué)習(xí)中困難普遍 較大，特別是對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢的方向，在判斷上問題較多，有的中學(xué)老師精心設(shè)計(jì)一些有針對(duì)性的物理 實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察、感知摩擦力方向的特點(diǎn)，從中總結(jié)判斷摩擦力方向的方法，在很大程度上化解了學(xué)生 理解的難度。例如，地面對(duì)自行車輪的摩擦力方向，學(xué)生很容易判斷錯(cuò)誤。有的老師就引導(dǎo)學(xué)生觀察自行 車在沙土較多的地面打滑時(shí)揚(yáng)起沙土的情況，學(xué)生在不知不黨中解開了疑團(tuán)。又如，對(duì)于皮帶運(yùn)輸機(jī)上的 物體，在皮帶剛開始啟動(dòng)和突然停止時(shí)，物體與皮帶間的摩擦力的方向如何判斷？學(xué)生也很為難。有老師 就在薄木板上釘一些圖釘，然后將布滿釘尖的一面放在手掌上，上面壓上一個(gè)硅碼，讓學(xué)生拿著做突然起 步和停止的

53、走動(dòng)，通過手心的感受模擬皮帶運(yùn)輸機(jī)上的物體對(duì)皮帶的施力方向。學(xué)生有了這樣的體驗(yàn)，處 理起問題來困難就小多了，廣東的一位中學(xué)物理老師郭章意，則巧妙地利用毛刷來演示靜摩擦力的方向。如圖15所示，找一個(gè)理發(fā)用的毛刷，放在不太光滑的桌面上，毛刷上再壓一個(gè)木塊或鉤碼，用手拉木塊或鈞碼，毛刷與桌面雖 然未見移動(dòng)，但刷毛的彎曲情況，就很明顯地表明了桌面對(duì)毛刷所施摩擦力的方向。而若將三個(gè)毛刷疊放 起來并分別施拉力于其上，如圖16所示，則用于講解學(xué)生深感棘手的兩個(gè)物體疊放而分別受外力時(shí)靜摩擦力方向判斷的問題，可收到事半功倍的效果。（四）、運(yùn)動(dòng)與力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究力是物體運(yùn)動(dòng)變化的原因，而不是運(yùn)動(dòng)的原因，這一關(guān)于力

54、與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的結(jié)論，在歷史上是來之不易 的。二千多年前由古希臘哲人亞里士多德提出的“運(yùn)動(dòng)需要力來維持”的觀點(diǎn)，經(jīng)過中世紀(jì)教會(huì)的神化， 直到16世紀(jì)才被近代精密自然科學(xué)之父伽利略在歷史上第一次用觀測和實(shí)驗(yàn)決定性地駁倒，然而，今天 的學(xué)生卻一再“重復(fù)著昨天的故事”，從物理課堂上得來的慣性概念，在他們內(nèi)心的認(rèn)識(shí)上，只不過是維持運(yùn)動(dòng)所需要的“原動(dòng)力”的一個(gè)代名詞而已，這種可以用科學(xué)術(shù)語來包裝的前科學(xué)概念（簡稱前概念） 即使為物理教師所識(shí)別出來，也不是很輕易地就可以糾正的，更不能用那些自以為是的教學(xué)加以“消滅” 對(duì)物理教師來說，非常清醒地認(rèn)識(shí)到學(xué)生前概念存在的普遍性、合理性和頑固性，處處留心辨別、發(fā)現(xiàn)和

55、引出學(xué)生的前概念并細(xì)心發(fā)掘他（她）們內(nèi)心深處的想法和理解，利用各種教學(xué)方法和手段，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué) 生前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)化，才是可能有效地解決這個(gè)問題的思路。特別值得指出的是有關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)， 更需要在設(shè)計(jì)上融入對(duì)學(xué)生理解的精心考慮。按照這種思路，下面我們先對(duì)中學(xué)物理中已有的實(shí)驗(yàn)作一些 分析。11圖17圖18如圖17、圖18所示的是兩個(gè)在中學(xué)物理教學(xué)中最常見的用來說明慣性的實(shí)驗(yàn)，毫無疑問，實(shí)驗(yàn)所演示的確實(shí)是與慣性有關(guān)的現(xiàn)象。但是，學(xué)生要從中思考清楚慣性在所觀察到的現(xiàn)象中所起的作用，恐怕不是件容易的事情。因?yàn)椋绊戇@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的因素并不很單純，特別是如圖17所示的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)演示的現(xiàn)象是松開彈片后，鋼球

56、下面的硬紙片被彈出，而鋼球則掉到了下面的筒里。所作的解釋是鋼球由于慣性19來表示。設(shè)要保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)，就留在了原處，實(shí)際上并不這樣簡單，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，鋼球具有慣性，要保持原 來的靜止?fàn)顟B(tài)，但鋼球受到了硬紙片所施的摩擦力的作用，它能否掉進(jìn)筒中，肯定還跟這個(gè)摩擦力的大小 及作用時(shí)間有關(guān)。為簡化起見，我們不考慮鋼球的滾動(dòng)，將鋼球和硬紙片的受力情況用圖則硬紙片對(duì)鋼球的摩擦力為:鋼球和硬紙片之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為1fAB ="Nab ="mAg而 f ab - mAaA ,所以aA = RmAg/mA =%。可見，aA與鋼球的質(zhì)量無關(guān)，只由鋼球和硬紙片之間的動(dòng)摩擦因數(shù)來決定。這說明什

57、么問題呢？實(shí)際上，在彈片對(duì)硬紙片作用的過程中，鋼球和硬紙片的加速度方向相同，鋼球能否掉進(jìn)筒中，必須滿足的 一個(gè)條件就是硬紙片的加速度至少要大于鋼球的加速度。是否滿足這個(gè)條件，從外力來說，當(dāng)然彈片對(duì)硬紙片的打擊力越大越好；從 A、B系統(tǒng)來說，決定的因素是 B對(duì)A的摩擦力，只有當(dāng)使 A加速所需要的摩 擦力大于B對(duì)A所能施的最大靜摩擦力時(shí)，A、B之間才可能相對(duì)滑動(dòng)，鋼球才可能掉進(jìn)筒中。即使 A、BaA竟與其質(zhì)之間有了相對(duì)滑動(dòng)，鋼球的加速度aA也不能太大，否則仍有可能掉出筒外。而鋼球的加速度量無關(guān)，最后起作用的是 A、B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)！換句話說就是，若A、B之間足夠光滑的話，鋼球才有可能掉進(jìn)筒中，否

58、則不然，而不管鋼球的質(zhì)量如何，這就值得思考了，因?yàn)槲覀冎蕾|(zhì)量是物體慣性大 小的量度，一個(gè)演示慣性的實(shí)驗(yàn)，能否得到所期望的現(xiàn)象，竟與物體的慣性大小無關(guān)，而是由與慣性無關(guān) 的摩擦來決定，這難道說得過去嗎？這使我們不得不要考慮它作為慣性演示實(shí)驗(yàn)的合適性問題。類似的大同小異的例子還很多， 也都被用來說明慣性的存在和作用，事實(shí)上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)真正能說明的倒是沖量定理,用于作慣性的演示實(shí)驗(yàn)，不僅存在前面所講的問題和影響因素過于復(fù)雜的問題，而且對(duì)學(xué)生的前概念沒有 多少針對(duì)性，學(xué)生很容易用膚淺的“那是由于慣性”等說法對(duì)付所有這一類現(xiàn)象。和歷史上的“運(yùn)動(dòng)需要力來維持”的觀念形成的原因一樣，學(xué)生在早期的日常生活中大量觀察到的停止施力物體就不再運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，是他們在頭腦中形成前概念的感性基礎(chǔ)。要挑戰(zhàn)學(xué)生的這種有長期個(gè)體經(jīng) 驗(yàn)基礎(chǔ)的前概念，就必須通過實(shí)驗(yàn)把物理現(xiàn)象突出到為人們的自然觀察所忽略或達(dá)不到的程度，使學(xué)生對(duì) 個(gè)人的觀念有所認(rèn)識(shí)和反思。從這個(gè)角度考慮，摩擦力的影響是關(guān)鍵，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)演示物體在盡可能小