高中物理课程标准解读(7)

2019-03-03 10:09

系是指:相等还是不等(对不同对象),变化还是不变(对不同时间),增大还是减小,正比还是反比等等。

实验数据的处理方法,有计算列表法,图象法等。计算、列表是常见的数据处理方法。采用列表法时,根据对实验数据关系的预期,列出需要进行比较的数据表格,把实验的原始数据在经过必要计算后填入表格,以通过数据对比发现数据间的规律。列表法操作简单,数据间的简单数学关系一目了然。数据间的数学关系比较复杂时,列表法就不容易奏效,这时可以采用图象法,作出两物理量关系的图象。两物理量关系的图象如果不是直线而是一条曲线,应该通过观察曲线的形状,改变其中一个坐标轴,让它变为原物理量的平方、开方或者倒数,或者其它的数学关系的量,目的是使作出来的图象是一条直线,从而能够发现与实验数据吻合的定量关系。

实验数据的处理手段,可以采用纸笔计算、作图等人工方法,也可以用计算机,借助常用的数表软件进行处理,例如在探究单摆周期和摆长的定量关系的实验中获得如下数据:

摆长l/m 周期T/s 0.4 1.27 0.6 1.56 0.8 1.80 1.0 2.01 1.5 2.46 ? ? 从表格中的数字我们难以判断周期T和摆长l有什么定量关系,我们把这些数据输入到Excel工作簿中,让计算机来绘制周期T和摆长l关系的图表和确定

T和l的数学关系式。在操作中,当把T和l的趋势线设定为乘幂关系时,可看到计算机根据表格中的数据所描绘的点,都落在右图的曲线上。如果选择“显示公式”选项,计算机在曲线旁注明的纵坐标和横坐标的数学关系是y=2.0105x0.4997

T/s 32.521.510.50y = 2.0105x0.4997,式中2.0105是常数,

l/m 00.511.52设为k,0.4997约等于1/2,上述数学

关系可写为y?kx,即T?kl,明确得出“单摆周期和摆长的平方根成正比”的结论。随着计算机技术的普及和学生在信息技术课程中学习水平的提高,高中物理教学中采用常用的数表软件来处理实验数据,已经具有很好的基础。

2.尝试根据实验现象和数据得出结论

3.对实验结果进行解释和描述

探究性实验的结论应围绕探究假设进行:假设究竟是得了验证还是被推翻。

在描述实验结论时,不仅要陈述假设获得验证或者被推翻的结果,还要说明假设获得验证时成立的条件或者假设被推翻的理由。

对于探究物理规律的实验,实验结论的形成通常建立在两方面分析的基础上:因果分析和数据分析。如果能知道一个现象的发生是由于某个原因所引起的,又能知道该现象和某原因之间所存在的数据关系的规律,只要把这两方面概括起来进行描述,这就是实验的结论。

原因和结果,在物理实验中,通常表现为物理条件和物理现象,物理条件是原因,物理现象是结果,物理条件的改变引起了物理现象的变化。因此,要归纳科学规律,就要关注物理条件改变与物理现象变化之间的联系。例如,在进行光的折射实验时,操作入射角变化,将观察到折射角的变化,总结光的折射规律,就要总结折射角数据和入射角数据之间的关系;又例如,操作弹簧受力的变化,将观察到弹簧形状的变化,要总结弹簧形变的规律,就要总结弹簧形变数据和受力大小数据之间的关系。

在描述实验结果时,语言要客观、准确。所描述的结果如果只是在某种实验条件下进行的,不仅要描述所探究到的规律,还要客观地指出这一规律所存在的条件。例如,在实验室用液柱封闭一段空气探究气体压强随体积的变化规律时,应得出的结果是:“一定质量的空气,在温度保持不变时,它的压强跟体积成反比。”在这段描述中,“一定质量”、“空气”、“温度保持不变”,讲的就是实验条件,“压强跟体积成反比”讲的是规律。如果进一步对各种气体进行实验,上述成反比的规律都成立,便可以把上述描述中的“空气”改为具有广泛意义的“某种气体”。

对实验结果的描述,还应注意语言的概括性。规律的简洁性和普适性,不仅是该规律能够广泛应用的基础,也是一种美的体现。实验结果的描述,应该通过抽象和概括,最终用极其简洁的语言来表现物理规律的本质。例如,我们在研究电磁感应现象时,如果我们获得了“在相同时间内,感应电动势的大小跟磁通量的变化成正比”这一规律,又获得“在磁通量变化相同时,感应电动势的大小跟变化的时间成反比”规律,我们便可以把上述两条进一步概括为“感应电动势的大小跟磁通量的变化率成正比”这一更简洁、更普适的结论。又例如,如何判定感应电流的方向,不同的实验条件,可以得到许多符合本实验条件的结论,仅条形磁体跟线圈之间相对运动的实验,就有N极插入、拔出,S极插入拔出4种情况,如果用原副线圈做实验,又有类似的4种情况,再加上直导线在磁场中作切割磁感线运动,至少存在着十多种各式各样的情况。如果一种情况一个结论,就存在着各式各样的结论。楞次定律巧妙地用“磁通量的变化”把各种情况统一起

来,在概括实验规律时不用“感应电流”而用“感应电流的磁场”作为描述规律的主体,用“阻碍磁通量的变化”来高度概括所有各种电磁感应情况下普遍适用的规律,这种对物理规律的概括方法值得在教学中作为一个范例来讨论。

要提高学生概括、陈述实验结果的能力,除了让学生对自己的实验结果进行概括和陈述之外,还可以让他们对所概括、陈述的结论进行交流和评价,评价所陈述语言的科学性和简洁性。

六、评估

1.尝试分析假设与实验结果间的差异

2.注意探究过活动中未解决的矛盾,发现新的问题

探究假设是对探究结果的预期,探究结果是对探究假设的验证。若结果与假设吻合,则假设被证实;若结果与假设冲突,则假设被推翻。关于这方面的内容,属于“分析与论证”要素的范围。现在我们所讨论的是,经过分析、论证、形成了探究结论后,还需要对结果与假设之间的差异性作进一步深思和评价,寻找该差异的特征并判断其性质。倘若结果与假设之间存在着一定的差异,就该差异的性质,有以下几种可能情况:第一,假设是正确的,结果与假设之间的差异是由于实验误差所引起的;第二,假设是正确的,结果与假设之间的差异是由于事实中还隐藏着另外一个因素;第三,假设大体上是正确的,但有值得进一步修正的地方。以上第二、第三种情况,都意味着该差异是受另一种尚未发现的规律支配的结果,因此,关注这种差异,分析这种差异的规律,实际上就是在发掘引起这种差异的因素,这是发现问题和提出问题的前奏,是创造性思维的表现。

例如我们在关于“影响导体电阻的因素”(电阻定律)的定量探究中,其中假设之一,是“导体的材料、横截面积一定时,其电阻和长度成正比”。在用电阻丝进行实验验证时,实验数据和假设大体上吻合得很好,但也有实验小组发现了事实和假设之间有一定差异:当被测量的电阻丝长度很小时,其测得的电阻值比假设略大。这是否是由于电阻丝粗细不均匀等原因所引起的实验误差?为了对此作出判断,在电阻丝的各个部位取该相同长度的一小段进行实验,发现电阻都比预计的略大,说明这并不是实验误差所致,而是其中隐藏着一个必然的因素。进一步对此因素进行假设和验证,发现它就是温度,金属导体的温度变化太大时也会对它的电阻产生影响。以上实验中的差异,就是因为所取的一小段电阻丝长度太短,电路中没有使用滑动变阻器控制电流,致使通过电阻丝的电流太大、温度过高而造成的。学生在该评估活动中获得了新的发现。

科学史上,由于理论预期和实践测定之间存在着差异,并围绕着这个差异进一步探究而导致新的发现的事例是不胜枚举的。17世纪,开普勒在研究行星运动轨道时,发现行星并不是以太阳为圆心绕太阳作匀速圆周运动的,后以“偏心圆”为轨道模型,理论计算和观测数据之间有了很好的吻合,但仍然和他的已故老师第谷的观测结果存在一定的差异。开普勒判断,该差异超出了第谷的观测误差,不是由于观测误差所引起的,行星轨道“偏心圆”模型的假设需要修正。当开普勒用“椭圆”模型重新建立假设时,其理论计算和实测数据非常吻合,由此发现了行星运动轨道的椭圆定律,也就是开普勒行星运动第一定律。18世纪,在研究天王星的运行轨道时,发现它的实际轨道总是跟用万有引力计算出来的有一定差异,研究者根据这个差异,推测天王星外面还有一个未发现的行星在对天王星起作用,通过进一步的理论和实践研究,终于发现了海王星。完全相似的过程,因理论和实践之间的差异,又导致发现了冥王星。

3.吸取经验教训,改进探究方案

探究方案的改进,包括在实验方法、器材、步骤和数据处理等各个方面的改进。因此它涉及对“制定计划与设计实验”、“进行实验与收集证据”、“分析与论证”这几个环节的评估。

要对这些环节进行评估,首先要有具有反思的意识,即具有对这些环节中的优点和缺点进行评价的愿望,这种愿望,通常表现为对以下问题的思考:

·探究方案中所确定的实验方法,其原理是否科学?是否有利于收集证据? ·探究方案中所选择的实验器材,是否有利于减小误差?

·按要求应该保持不变的物理量是否在实验中真正做到了保持不变? ·是否存在着和整个实验数据的合理趋势相违背的个别异常数据? ·实验数据是否能有力地支持所得出的实验结论? 对这些问题的思考都反映了评估的意识。

下面我们用一个具体的实验案例来说明通过评估改进实验方案的情况。传统高中教材中,验证玻意耳定律的实验是用注射器来进行的,实验时把注射器竖直固定在铁架台上,在活塞下密封一段空气,改变并测量作用于活塞向下或向上的作用力,测量活塞横截面积,就可以改变和计算空气柱的压强,从而研究其体积随压强变化的关系。要对该实验方案作出改进,就要对方案中的实验方法、器材以及实验时收集、处理数据的具体做法进行评估。

从实验方法上考虑,利用注射器做实验,可以避免早期教科书中用水银封闭空气柱方案的水银污染问题,但带来的问题是固体之间的摩擦较大,活塞和外壳

之间滑动的不流畅经常为实验带来障碍。因此,重新考虑用液柱封闭空气,这是从实验方法方面所所做出的一种改进选择,事实上,如果用水柱代替早期实验中的水银柱,用两根下方通过橡皮管相连的竖直长玻璃管来代替早期实验中单根玻璃管,以获得较大的压强变化,能产生很有说服力的实验效果。

从实验器材上考虑,当我们仍然采用注射器方案时,究竟采用哪一种注射器,这也是很关键的。例如,采用医院打青霉素用的小口径注射器,就能在很大程度上改进实验效果。这是因为针筒细,活塞和外壳相接触的面积比较小,两者之间吻合度好、摩擦小,同时还因为活塞横截面积小,使得空气柱的压强和体积能在较大幅度内变化,增强了实验的说服力。实验器材中还涉及到活塞和外壳之间的润滑剂,传统的做法是用润滑油,一方面起润滑作用,另一方面还有密封效果,但事实并非想像,活塞和外壳之间经常产生被“吸住”的现象。在选用润滑剂材料方面,如果摆脱用液体做润滑剂的传统思维束缚,改用固体“润滑剂”,把6B铅笔的笔芯均匀涂在活塞上,使活塞和外壳之间附上一层很薄、极细的碳粉,其摩擦将得到极大的改善。

再从实验数据的收集和处理来考虑实验的评估。本实验中需要验证的结论是

pV=(p+Δp) (V-ΔV),如果在实验操作时Δp较小(当然ΔV也就较小),在这种情况下比较气体体积和压强的乘积是否变化是没有意义的,因为即使在实验中把Δp读成了不可容忍的2Δp,由于2Δp也很是,上述等式仍然是成立的,实验没有说服力,现实中的许多学生却没有对此作出评估。如果不是用列表、而是用描绘p、V的关系的图象(其中一个坐标轴为1/V)来处理实验数据,Δp较小的缺陷就会暴露无疑,因为实验数据在图象中只有一个很小的范围,无法体现图象的特征。

从以上实例中可以看到,通过评估改进实验方案的过程,就是发现问题、分析问题、创造性解决问题的过程,对学生的发展是有积极意义的。

七、交流与合作

1.能写出实验探究报告

初中物理课程标准要求学生能写出简单的探究报告,即能在探究报告中初步陈述探究的问题、探究的过程和探究的结论,高中学生应该在这个基础上再提高一步。

高中学生在写探究报告时,应比初中学生要有更高的独立性和自主性。学生应尽可能独立地构思报告的内容和格式,尝试不同的实验探究课题所陈述的内容


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