1 物理实验的意义
物理学是研究自然界物质最基本的结构, 最普遍的相互作用, 最一般的运动规律的一门科学。物理学的研究对象决定了物理学是以实验为基础的科学。并且实验手段和思维方法也是物理研究和教学不可或缺的重要内容。实验是物理学的基础, 是检验物理理论的标准。物理学是一门以实践为基础的科学, 同时也是一门思辨性很强的科学。经过长期的发展, 特别是从伽利略的开创性工作, 人们终于树立起正确的观念, 把物理学从一门以纯思辨为主的哲学, 转变到以实验为基础, 实验和理论并重的科学的研究轨道上来。
在我们的日常生活和医学实践中, 到处都有物理现象。教学中, 面对种种物理现象, 学生比较容易产生好奇心和神秘感, 每一个物理现象都好像是一个“谜”, 他们总是想揭开这个“谜底”, 探索其中的奥秘。历史上, 一些物理学家正是从物理现象入手, 去研究和探索大自然中各种现象的本质, 从而建立物理概念和发现物理规律的。在物理教学中, 大多物理实验也正是从观察现象出发, 进而帮助学生形成物理概念和认识物理规律的。
物理实验是为了配合教学内容而设计的。在课堂上, 演示实验是最活跃、最具生命力的教学形式之一。通过物理实验, 要把物理现象清楚地展示在学生面前, 帮助学生化抽象为形象, 化枯燥为生动, 引导观察、启发思考, 进而使学生认识现象、理解概念和掌握规律。毫无疑问, 设计好的物理实验对提高教学质量具有重要意义。
在物理教学中, 为了更好地传授物理科学知识, 我们既要搞好物理知识和物理实验的教学, 但同时也要从物理学的知识体系去考虑, 重视其中的思维方法的教学。
总之, 物理实验是物理教学中最常用、最重要的教学手段和方法, 在物理教学中占有重要地位。物理实验应当起到的重要作用, 就是通过观察来启发思考、掌握知识、促进思维, 又经过思维活动来提高观察能力和认识能力, 形成一种学习上的良性循环。
2 物理实验的教学实施
通过物理实验, 把与教学内容有关的物理现象直观地、有条理地展示学生面前, 不仅能引导学生观察现象, 还能启发学生积极思考, 再加上教师的适时点拨, 学生就比较容易形成正确的物理概念和牢固地掌握物理规律。对于物理实验, 教师既要重视它的准备工作, 实验步骤和研究实验的方法, 也要周密地考虑在实验过程中可能会出现的种种问题。只有这样, 才能有效地发挥物理实验的作用, 进而提高物理教学的质量。
为了达到预期的教学效果, 对物理实验的教学实施, 应着重关注如下几个方面。
2.1 实验目标要明确
物理实验是用来配合内容教学的。在物理教学中, 对于每一个实验 (如作为新课导入的演示实验, 探索物理规律的实验等) , 都要有明确的目标。例如, 在“电磁感应”教学中, 可以选择的演示实验比较多, 有直导线切割磁感线;线圈相对磁场运动;条形磁铁相对螺线管运动等。在实验中, 要注意充分地发挥此类实验的趣味性、直观性和条理性。只有清楚地表现出物理现象, 才能透过现象看本质, 才能有效地调动学生积极思考, 发挥物理实验在教学中的作用。
特别是演示实验的开展, 要注意从简单到复杂, 从表面到本质, 切忌毫无目的、随心所欲。对于物理实验的每个环节、每个步骤, 都要有明确的条理性, 要重视实验的程序。实验过程要表现出环环相扣、步步深入, 让学生从中形成较强的感性认识, 通过观察进行思考, 通过思考来揭示实验现象的本质。
2.2 实验现象要直观
物理实验离不开观察, 而观察是在实验现象的基础上进行的。因此, 具有直观性是演示实验的一个基本要求。关于物理实验的直观性, 在设计时应重视如下两点。
首先, 对于演示实验中物理过程的变化要明显直观。为了现象直观明显, 选用的器材尺寸要合适, 尤其是观察部分的尺寸要足够、刻度线条要清晰, 要使教室里靠后排的学生也能看清楚。这样做, 虽然实验的精度可能会有所降低, 但可用其感受的效果来补偿。必要时还可借助投影仪等来增强现象的直观性, 提高观察效果。另外, 仪器的摆放位置, 被观察的主体与背景的色调对比, 也会影响实验的观察。对于这些问题, 在准备实验时都应充分考虑到。
第二, 器材的选择要简单。特别是用于巩固或建立概念的一些定性的物理实验, 没有必要选择复杂、精密的器材。例如, 在演示“液体表面的收缩趋势”这一现象时, 采用一个自制的金属丝环, 配以洗洁精溶液, 就能把液体表面的收缩趋势直观、明显地展现在学生面前, 清晰地揭露液体表面张力的存在。教学中, 还有不少演示实验也是这样, 它并不一定要盲目地去追求精密、复杂、昂贵的实验器材。
2.3 实验要具启发性
物理实验能够提供丰富的感性材料, 可以化抽象为形象。物理实验的启发性, 就是能够通过观察启发思考, 使学生通过思考来认识现象、掌握规律, 培养能力, 发展思维。
要使实验具有启发性, 需要以生动性和趣味性为前提。当生动的实验现象出乎意料时, 学生对事物的认知才有可能上升为思维的动力。例如, 在讲授“自由落体运动”时, 就可做这样一个简单的演示实验 (准备一枚硬币和一个纸片) 。第一次, 当同时从静止开始释放硬币和纸片时, 硬币很快落地, 而纸片则在空中缓缓飞舞而下;第二次, 当把纸片搓成小纸团, 再和硬币同时释放时, 小纸团和硬币就几乎是同时落地了。这一简单的实验就可启发学生去思考, 纸片和纸团, 质量并未改变, 为什么前后两次实验的结果不同呢?通过启发思考, 从而提出“自由落体运动”的定义, 并纠正了某些学生中可能存在的轻重物体下落快慢不同的模糊认识。
通过物理实验引发问题, 只是启发思维的起点。虽然它是学生开展积极思维的突破口, 但要推进思维的展开, 还需要教师适时地加以点拨、引导。学生只有通过不断的探讨和思考, 才能领悟道理, 掌握知识, 提高思维能力。
2.4 实验中要重视方法教育
实验的探索性, 就是根据某些物理现象和规律的特点来设计实验, 让学生通过观察现象, 认识物理规律, 并掌握其中的研究问题的方法。下面通过几个实例来讨论这个问题。
例1:牛顿第二定律实验。
对于验证牛顿第二定律 (F=ma) 的实验, 一般需要准备一个小车 (也可用两个小车同时作实验比较) 、一根细线、几个砝码、一个砝码盘、1个节拍器 (或用秒表) , 车放在较为光滑略微倾斜的实验桌面上 (实验前调节桌面倾斜, 使在无拉力作用时, 小车恰能在桌面上作匀整直线运动。即使小车所受重力沿斜面的分力恰好等于斜面对小车的滑动摩擦力) 。实验时, 绳的一端跨过桌边的定滑轮, 下挂砝码盘, 盘里可分别放不同数量的砝码;绳的另一端系于小车, 以拉动小车作匀加速直线运动 (拉力大小可以认为近似看作等于砝码和砝码盘的重量) 。
实验数据如表1所示。需说明, 在此类实验中, 由于使用的器材比较简单, 实验的结果允许存在一定的误差 (见表1) 。
通过实验, 师生共同讨论分析如下两方面的问题:
一是加速度a与外力F的关系 (见表1中的第1、2次实验记录) ;二是加速度a与质量m的关系 (见表1中的第2、3次实验记录) 。
分析实验, 引导学生思考并得出结论:在质量一定的条件下, 加速度与外力成正比;在外力一定的条件下, 加速度与物体的质量成反比。通过对实验现象和数据的分析, 总结出加速度与外力、加速度与物体自身质量之间的关系, 从而正确地掌握牛顿第二定律。
例2:单摆周期实验。
在教学单摆的周期公式时, 可让学生通过自己动手, 带着问题去思考, 探索单摆的周期与摆长之间的关系。事先, 可让学生每3～5人结合为一个小组, 每组准备一块手表、一个直尺、一把小锁和1米多长的细线, 并自制单摆。测量时可分别取摆长为00.1m、56.0m、25.0m时, 记录摆动50次所用的时间 (告诉学生摆角要小, 要控制在5o以内) 。实验数据记录于表2中。
根据实验所得的数据, 计算出不同摆长1次全振动所用时间 (即周期) , 并从中找出周期与摆长的关系: (即单摆的周期与摆长的平方根成正比) 。
在这样的探索性实验活动中, 学生通过自己动手, 提高了实验能力;通过记录和计算, 提高了计算能力;通过思考和分析, 提高了思维能力, 掌握了解决问题的科学方法。
例3:泊肃叶定律实验。
在教学泊肃叶定律的过程中, 通过实验, 研究粘滞性液体 (如洗洁精) 在粗细、长短不同的管子中流动, 一是找出流量Q与管子半径r的关系;二是找出流量Q与管子长度L的关系。通过实验分析, 可得出结论:在管子两端压强差∆P一定的条件下, Q与r4成正比;在∆P和r一定的条件下, Q与L成反比。这就是泊肃叶定律。
可对泊肃叶定律作进一步讨论:
(1) 流量Q与管子半径的四次方r4成正比。这说明, 管子的半径的粗细对流量的影响非常大。例如, 在压强差、管子长度等相同的情况下, 要使半径为的管子与半径r为的管子有相同的流量, 并联细管的根数需要24, 即16根。
(2) 流量Q与管子的长度L成反比。管子越长, 对液体流动的阻力越大, 流量越小。
(3) 另外, 流量Q还与液体的粘滞系统η成反比。液体的粘滞系数越大, 流量就越小。
在运用泊肃叶定律讨论人体的血液流动时, 应考虑到血液循环系统的复杂性。由于血液是一种复杂的液体, 还由于血管具有弹性, 与刚性的管子不同, 其半径是可变的, 这些因素的变化均会影响血液循环的流量Q。
上述的探索性实验共同反映了一个很重要的问题, 这就是方法教育。要让学生从中认识到, 在面对一个较为复杂的问题时, 要学会并善于从中剖析不同量间的关系, 有时可先保持一个量不变, 来探索另外两个量之间的关系, 各个击破, 从而得出完整的结论。通过类似的探索性实验的教学, 不仅要使学生从实验中总结规律、深刻理解、牢固记忆, 还要充分地调动学生学习的积极性和学习兴趣, 从类似的实验和学习中逐步地掌握一些研究问题的基本方法。这应是物理实验教学中最值得重视的问题之一。
摘要：本文讨论了物理实验的意义, 在物理实验的教学实施过程中应着重关注的问题, 包括实验目标要明确, 实验现象要直观, 实验要具启发性, 以及在实验中要重视方法教育等。
关键词：物理,实验,方法,教学研究