精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 化解教學(xué)難點(diǎn)

李如虎

摘 要：巧妙設(shè)計(jì)一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)，對(duì)化解學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，在學(xué)生頭腦中建立起正確的物理概念、物理圖景，使學(xué)生正確理解物理規(guī)律往往可以起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。本文僅舉兩個(gè)在教學(xué)中使用過(guò)的例子，說(shuō)明只要我們“精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，就可“化解教學(xué)難點(diǎn)”。

關(guān)鍵詞：化解難點(diǎn)；電容器；電容量；沙擺；簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）5-0075-3

在中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常遇到這樣的情況：有些問(wèn)題無(wú)論老師怎樣強(qiáng)調(diào)，無(wú)論做了多少練習(xí)，學(xué)生還是容易出錯(cuò)。究其原因，還是教師沒(méi)有能夠幫助學(xué)生建立起正確的物理概念，或者沒(méi)有能夠讓學(xué)生對(duì)物理規(guī)律有深刻地了解。而設(shè)計(jì)一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，對(duì)化解學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，在學(xué)生頭腦中建立起正確的物理概念、物理圖景，使學(xué)生正確理解物理規(guī)律往往可以起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用。本文僅舉兩個(gè)在教學(xué)中使用過(guò)的例子，說(shuō)明只要我們“精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，就可“化解教學(xué)難點(diǎn)”。

1 巧做電容器實(shí)驗(yàn)，破解電容器教學(xué)難點(diǎn)

在進(jìn)行電容器的教學(xué)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題：“電容器是什么？”“電真的裝入電容器了嗎？”“電容器裝的電多，電容量就大；電容器裝的電少，電容量就??；電容器不帶電，電容量就為零。”等等。特別是這個(gè)電容量問(wèn)題，不論進(jìn)行怎樣的練習(xí)與訓(xùn)練，學(xué)生還是很容易出錯(cuò)。于是，在進(jìn)行電容器的內(nèi)容教學(xué)時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)電容器充、放電的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在意想不到的震撼中，產(chǎn)生了學(xué)習(xí)興趣，學(xué)會(huì)了科學(xué)知識(shí)，取得了很好的教學(xué)效果。具體做法是這樣的：

首先，給學(xué)生出示一個(gè)透明的空茶杯，容量200毫升，并且告訴學(xué)生這個(gè)茶杯的容量是200毫升。這時(shí)問(wèn)：這個(gè)空茶杯的容量是200毫升，表示什么意思？

學(xué)生：這個(gè)空茶杯的容量是200毫升，表示這個(gè)茶杯可以裝入200毫升的液體。

問(wèn)：如果我在這個(gè)茶杯中倒入200毫升的水，這個(gè)茶杯的容量是多少？

學(xué)生：是200毫升。

問(wèn)：如果我在這個(gè)茶杯中倒入100毫升的水，這個(gè)茶杯的容量是多少？

學(xué)生：還是200毫升。

問(wèn)：如果我在這個(gè)茶杯中倒入10毫升的水，這個(gè)茶杯的容量是多少？

學(xué)生：仍然是200毫升！

結(jié)論：不論這個(gè)茶杯是裝滿(mǎn)水的，還是空的；不論往這個(gè)茶杯中倒入了多少毫升的水，這個(gè)茶杯的容量都是200毫升，與裝入多少液體沒(méi)有關(guān)系！

這時(shí)，出示一個(gè)“25 V，3300 μF”或“50 V，2200 μF”電解電容器（將電容器的兩個(gè)腳焊接上了一段較長(zhǎng)的連接導(dǎo)線），告訴學(xué)生：我這里給大家看的這個(gè)東西也是一個(gè)容器。這時(shí)停頓一下，讓學(xué)生仔細(xì)看看，學(xué)生覺(jué)得奇怪，因?yàn)樗麄冞€是想著裝液體的事。這個(gè)東西沒(méi)有口，液體怎么裝進(jìn)去呢，它怎么可能是一個(gè)容器呢？

這時(shí)告訴學(xué)生：這不是一個(gè)裝液體的容器，而是一個(gè)裝電的容器。正因?yàn)樗且粋€(gè)能夠裝電的容器，所以我們叫它“電容器”。這時(shí)，學(xué)生將信將疑，筆者進(jìn)一步賣(mài)關(guān)子：“它真的能裝電嗎？怎么將電裝進(jìn)去呢？”

演示：將這個(gè)電解電容器與實(shí)驗(yàn)電源“直流，24 V”連接一下（注意正負(fù)不要接錯(cuò)，碰一下即可），告訴學(xué)生老師已經(jīng)將電裝到電容器里了。

學(xué)生這時(shí)還是將信將疑，因?yàn)椴幌袼b入茶杯那樣可以看見(jiàn)，這里是看不見(jiàn)的。然后，通過(guò)放電實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生看到，電確實(shí)被裝入了電容器。

演示：將這個(gè)帶了電的電容器的正負(fù)連線碰一下，只聽(tīng)“嘭”的一聲，并且伴隨著電火花的閃現(xiàn)，給學(xué)生帶來(lái)了極大的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)刺激，使他們確信電確實(shí)被裝入了電容器。

這時(shí)再問(wèn)：如果這個(gè)電容器接在16 V的電源上，或者給它裝了它容量一半的電量，或者沒(méi)有裝電，它的容量與裝滿(mǎn)電量相比，有什么區(qū)別嗎？

學(xué)生由茶杯裝水的類(lèi)比得到啟示：沒(méi)有區(qū)別，不論它有沒(méi)有裝電，還是裝電多少，電容器的容量是由它本身決定的，與裝入電量的多少以及電壓的高低都沒(méi)有關(guān)系！

至此，不僅在學(xué)生頭腦中建立了電容器的概念，更重要的是破解了“電容器的容量與帶電量和電壓的高低沒(méi)有關(guān)系，只跟電容器本身有關(guān)”這個(gè)歷屆學(xué)生都一直要犯錯(cuò)誤的問(wèn)題。

2 做好沙擺實(shí)驗(yàn)，破解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的教學(xué)難點(diǎn)

在講解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，學(xué)生經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)下面一些問(wèn)題：

①看到圖像是正弦（余弦）曲線，往往在回答問(wèn)題（考試或做習(xí)題）時(shí)，就認(rèn)為做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦（余弦）曲線；

②橫坐標(biāo)軸的物理意義不清楚；

③不會(huì)從簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像上看出速度（加速度）的大小、方向；能量的大小、關(guān)系等等。

在用沙擺演示簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖像的實(shí)驗(yàn)時(shí)，以往都是在做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的沙擺下面，沿著垂直于沙擺擺動(dòng)的方向拖動(dòng)一個(gè)長(zhǎng)木板，于是在長(zhǎng)木板上就留下了沙子的痕跡，得到了沙擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像。并告訴學(xué)生簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像就是這個(gè)樣子的，是正弦曲線。這樣做雖然得到了正確的結(jié)果，但是教學(xué)效果并不好。

筆者在教學(xué)過(guò)程中，帶著問(wèn)題意識(shí)進(jìn)行教學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成了以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）在做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的沙擺下面，沿著垂直于沙擺擺動(dòng)的方向放置一個(gè)長(zhǎng)木板，讓長(zhǎng)木板靜置于原地，這時(shí)擺動(dòng)的沙擺漏下的沙子，在靜置于其下方的木板上留下的沙子在紙上呈一直線，并且中間細(xì)、兩頭粗。

問(wèn)：從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中看到了什么？

學(xué)生：看到了成一條直線的兩端高，中間低的一堆沙子。

問(wèn)：從剛才的實(shí)驗(yàn)，可以看到在擺動(dòng)角度小于10 °的情況下，沙擺的運(yùn)動(dòng)軌跡是什么？

學(xué)生：看到了沙子在一條直線上，這說(shuō)明了沙擺的運(yùn)動(dòng)軌跡是直線（單擺運(yùn)動(dòng)弧線很小的時(shí)候，近似是直線；彈簧振子的軌跡則正好是直線。這樣就避免了學(xué)生將簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間圖像當(dāng)成做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡的錯(cuò)誤）。

（2）仔細(xì)想一下，這堆沙子兩端高，中間低說(shuō)明了什么？

學(xué)生1：兩邊多，中間少，表明振子在兩邊時(shí)速度小，所以漏的沙子多；振子在中間時(shí)速度大，所以漏的沙子少。

學(xué)生2：關(guān)于中心對(duì)稱(chēng)，表明振動(dòng)幅度相等。

（3）可以從能量的角度進(jìn)一步說(shuō)明能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系嗎？

學(xué)生：振子在兩邊時(shí)速度小，動(dòng)能小，勢(shì)能大；振子在中間時(shí)速度大，動(dòng)能大，勢(shì)能小。

（4）從剛才的實(shí)驗(yàn)漏下的沙堆中，你能確定振子在某個(gè)位置漏下的沙子的時(shí)刻嗎？

學(xué)生：不能。因?yàn)樵谡駝?dòng)過(guò)程中，在同一位置的時(shí)刻有很多，所以無(wú)法確定。

（5）有什么辦法能將沙擺什么時(shí)刻，在某個(gè)地方漏下的沙子區(qū)分開(kāi)呢？

學(xué)生：在沙擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，勻速拖動(dòng)木板，于是在木板上就會(huì)留下一條正弦曲線形狀的沙子的痕跡。這樣就能將沙擺什么時(shí)刻在某個(gè)地方漏下的沙子區(qū)分開(kāi)了。這個(gè)痕跡實(shí)際上就表示了做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的沙擺的位移-時(shí)間關(guān)系圖像。

（6）在木板上這條正弦曲線中間畫(huà)出一條直線，這條直線有什么含義？可以表示什么？

學(xué)生1：表示做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的沙擺的平衡位置。

學(xué)生2：表示運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因?yàn)槟景迨莿蛩龠\(yùn)動(dòng)的，所以在其運(yùn)動(dòng)方向上的相（下轉(zhuǎn)第80頁(yè)）（上接第76頁(yè)）同長(zhǎng)度表示了相同的時(shí)間。（這就說(shuō)明了時(shí)間軸的來(lái)歷）

經(jīng)過(guò)這樣的問(wèn)題設(shè)計(jì)，既培養(yǎng)了學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)，可以幫助學(xué)生形成多問(wèn)為什么的習(xí)慣（潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲），又可以更有效地將問(wèn)題解決掉，使學(xué)生獲得正確的、理解了的知識(shí)。還很容易避免了以前學(xué)生經(jīng)常將簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間關(guān)系圖像（正弦曲線）當(dāng)成是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的軌跡的錯(cuò)誤。

這里舉的兩個(gè)例子，是筆者在教學(xué)過(guò)程一直使用的，多年來(lái)的實(shí)踐證明教學(xué)效果非常好。這正說(shuō)明了在教學(xué)實(shí)踐中我們只要?jiǎng)幽X筋設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方法、環(huán)節(jié)，注意利用學(xué)生的直觀形象思維，就能化解教學(xué)中的難點(diǎn)，起到事半功倍的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物理·選修3-4[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]張憲魁.實(shí)施物理科學(xué)方法教育的策略談[J].物理教學(xué)探討，2014，（1）：1.

[4]周建華.電容的探究式教學(xué)研究[J].物理教學(xué)探討，2014，（1）：1.

（欄目編輯 鄧 磊）