[初高中衔接视角下的物理实验教学以打点计时器为例] 打点计时器物理实验

初高中衔接视角下的物理实验教学以打点计时器为例

初高中物理衔接是高一物理教学的重要环节，通常可以 从知识、方法和学科本质等方面展开研究和实践。此学段的 学生，因其年龄和心理特点，可能最喜欢实验了。实验能激 发学生的学习兴趣，成功地完成实验也会提升学生学习的信 心。许多初中物理教学过程就是由实验串接起来的，丰富多 彩的物理课堂实验引导学生沿着“声、热、光、力、电”的 研究道路走到高中。因此，在高中物理教学过程中，我们应 鼓励学生多动手实验，帮助学生做好实验，从而顺利地完成 初高中衔接，打好整个高中物理学习的基础。下面以“打点 计时器”教学为例，分享一些我的实践与探索。

一、打点计时器实验与初中物理实验的比较 《义务教育物理课程标准（2011年版）》所列出的20个 学生必做实验项目中，以测量为目的的实验有10个，以探究 为目的的实验有9个，以及1个连接简单的串联电路和并联电 路的实验。其中，直接测量的有6个（用刻度尺测量长度、 用表测量时间；
用弹簧测力计测量力；
用天平测量物体的质量；
用常见温度计测量温度；
用电流表测量电流；
用电压表 测量电压），测量工具比较常见且能直接读数；
间接测量的 有4个［测量物理运动的速度原理：
v=s/t；
测量水平运动物体所受的滑动摩擦力（原理：
二力平衡）；
测量固体和液体的密度原理：ρ=m/V；
测量小 灯泡的电功率（原理：P=UI）］，原理相对简单，测量和计 算的过程比较简明清晰；
定性探究的有6个（探究浮力大小 与哪些因素有关；
探究光的反射规律；
探究平面镜成像时像 与物的关系；
探究凸透镜成像的规律；
探究通电螺线管外部 磁场的方向；
探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条 件）；
定量探究的有3个（探究杠杆的平衡条件；
探究水沸 腾时温度变化的特点；
探究电流与电压、电阻的关系），过 程相对简略，多为探究两个易测物理量间简单的数学关系。

因而，衔接阶段的学生对打点计时器比较陌生，且实验 的原理和操作也相对复杂，需要测量的物理量比较多，测量 瞬时速度和加速度的方法也比较复杂；
整个实验既涉及测量， 也涉及探究，处理纸带时不确定因素较多，要求学生有较高 的思维水平，能全面地分析、判断和选择；
计算量大，精确 度要求高，需要借助图像研究问题，要求学生有较强的数学 能力，并能以严谨的态度有条理地进行实验，坚持完成烦琐 的数据处理。

基于以上分析，我认为导致“打点计时器”教学出现困 难的主要原因是：衔接阶段学生的学习态度、思维水平、数学能力还基本停留在初中阶段，不能完全符合高中阶段的要 求。针对此种情况，在“打点计时器”教学中，我立足学生 身心特点和实际能力，着重在初高中衔接方面进行了一些尝 试。

二、侧重于初高中衔接的“打点计时器”教学实践 （一）丰富感性认识，激发操作兴趣 大多数高一新生对打点计时器是完全陌生的。考虑到动 手操作仍是衔接阶段的学生了解事物的重要途径，我在教学 中增加了学生操作的机会，以丰富学生对打点计时器的认识。

（参考教材上自制打点计时器的内容，让学生用手和笔 模拟打点计时器的工作，如图1。） 师这样的“打点计时器”有什么缺点？ 生打点时间间隔不一定相等。

生纸带上的点迹弯曲，说明没有沿一条直线拉动纸带。

师观察打点计时器，它是如何改进上述问题的？ 生频率稳定的交流电能改进打点时间间隔不相等的问 题。

生让纸带穿过两个限位孔能改进没有沿一条直线拉动 纸带的问题。

师实验中应该先启动电源，还是先拉动纸带？顺序能颠 倒吗？动手试一试。

生应先启动电源后拉动纸带，顺序不能颠倒。师准备两条纸带，用手慢速拉动和快速拉动纸带各进行 一次实验，在纸带上分别标注“慢”和“快”，两条纸带上 的点迹有什么不同？ 生慢速拉动时纸带上的点迹比较密，快速拉动时点迹比 较疏。

在动手操作的过程中，学生可能会有一些新的发现，比 如电火花打点计时器与电磁打点计时器的异同、碳粉纸盘或 复写纸的放置技巧、实验中排除简单故障的方法等。通过操 作，学生对打点计时器有了初步的感性认识，也为后续学习 做了铺垫。

（二）类比分析原理，树立学习信心 打点计时器在衔接阶段学生的眼中是神秘的、复杂的， 而实际上打点计时器的内部电磁构造与学生初中学过的电 磁继电器是非常相似的，教师只要稍加引导，学生就能够较 快地了解打点计时器的工作原理。

师（出示图2）这是电磁打点计时器的原理图，请结合 原理图思考，使用电磁打点计时器时，为什么要及时关闭电 源？ 生因为线圈电阻很小，长时间通电会导致线圈过热而被 烧坏。

师电磁打点计时器的振针为什么能够上下振动？如果 使用直流电能使电磁打点计时器正常工作吗？ 生图甲中线圈右端为S极，与铁芯相连的振针会在磁铁的作用下向上运动；
图乙中线圈右端为N极，与铁芯相连的 振针会在磁铁的作用下向下运动。使用交流电时，线圈中的 电流方向不断改变，连续重复出现图甲、图乙的情况，使得 振针连续上下振动。如果使用直流电，振针不能连续上下振 动，电磁打点计时器不能正常工作。

通过这一教学环节，学生利用初中阶段已经掌握的物理 知识类比破解了打点计时器工作原理的奥秘，树立了进一步 学习使用打点计时器，进而处理相对复杂问题的信心。

（三）利用实例讨论，化抽象为具体 关于测量瞬时速度，教材中这样表述：两点间的平均速 度Δx/Δt可以大致表示瞬时速度。两点距离越小，平均速 度越接近瞬时速度；
而两点距离过小则测量误差增大，所以 应根据实际情况选取这两个点。

我认为这样抽象、不确定的表述，学生是难以理解的， 因为初中阶段关于实验的描述多数是具体且明确的。而且从 思维发展来看，衔接阶段的学生还处在由形象思维向抽象思 维过渡的阶段，思维的深刻性远没有达到教材编者的预期要 求。为了突破这一难点，我借助一条实验纸带来具体分析。

关于减小测量误差的分析—— 师我们在初中学过，任何测量都有误差。请大家阅读教 材P98“偶然误差和系统误差”“绝度误差和相对误差”， 思考“两点距离过小则测量误差增大”中的“误差”具体是 指哪种误差。生相对误差。

师使用分度值为毫米的刻度尺测量长度时，可以认为绝 对误差是0.2 mm，如果希望将相对误差控制在5%以内，所选 两点间的距离至少应为多少？ 生（计算得出）4.0 mm。

师如果所选定的两点间距离为2 cm，长度测量的相对误 差为多少？ 生（计算得出）1%。

师我们日常使用的毫米刻度尺，它的绝对误差一般是确 定的，如果希望减少测量的相对误差应该怎么办？ 生为了减小测量的相对误差，所选的两点距离应该大一 些。

关于平均速度近似瞬时速度的分析—— 师如果我们选定了纸带上的两个点，如何得到这两点间 的速度呢？ 生可以通过Δx/Δt计算得到平均速度。

师计算得到是平均速度，那如何得到瞬时速度呢？ 生将Δt取得非常非常小，两点间的平均速度Δx/Δt就 可以大致表示瞬时速度。

师要用两点间的平均速度Δx/Δt表示瞬时速度，所选 的两点距离应该怎样？ 生为了使平均速度近似等于瞬时速度，所选的两点距离应该小一些。

激发深入思考—— 师这里好像有了矛盾：为了使平均速度近似等于瞬时速 度，所选的两点距离应该小一些；
而为了减小测量的相对误 差，所选的两点距离应该大一些。这一矛盾如何解决？ 生我们可以采取一个折中的方案，例如取Δt=0.1 s。

师（出示图3）从纸带点迹可以判断，小车作加速运动， 用O至A段的平均速度表示A点的瞬时速度合适吗？ 生不合适，偏小。

师用A至B段的平均速度表示A点的瞬时速度合适吗？ 生不合适，偏大。

生（引导下得出）OB段的平均速度应该更加接近A点的 瞬时速度，Δt为0.2 s，也满足“Δt非常非常小”的条件。

即vA=v-OB=OB/2T。

至此，学生在具体的情境中，通过教师的引导，讨论出 了由纸带上点迹得到瞬时速度的思路，并感受了减小实验误差使实验结果更精确的方法，突破了难点。

（四）展开合作学习，提升整体效果 合作学习强调同伴交往在完成任务过程中的作用。在合 作学习模式下，学生会有意识地模仿同伴的行为来思考和完 成具体的任务。合作学习过程中，尚未完全掌握的同学会更 积极主动地思考、请教；
掌握较好的同学会更认真细致地讲 解、辅导，这是促进学生“最近发展区”发展的一种有效方 式。

本次分组实验任务是：按要求完成纸带的处理和描点作 图工作。在全班讨论出由纸带得到瞬时速度的思路后，各组 开始动手处理纸带、描点作图。组员间的讨论此起彼伏：
生A点的瞬时速度究竟怎么算呀？ 生OB段的平均速度就是A点的瞬时速度。

生不是要“Δt非常非常小”吗？OB这么长能行吗？ 生OB段的时间只有0.2 s，“唰”一下就过去了。

生还要除0.2 s，要是改成除0.1 s行不行？生你是想用OA除0.1 s表示哪一点的瞬时速度呢？ 生OA之间随便哪个点，行吗？ 生不行吧。（边说边画，如图4）你看，纸带是越来越 快的吧，你用OA除0.1 s得到OA段的平均速度，用它来表示O 点的瞬时速度显然偏大，表示A点的瞬时速度显然偏小；
那 同样的，表示点1的瞬时速度也偏大，表示点4的瞬时速度也 偏小；
表示点2的瞬时速度也偏大，表示点3的瞬时速度也偏 小；
用来表示点2、3之间的某一个点刚刚好，可惜没有，所 以不行啊！ 生也就是说某一段的平均速度最好用来表示中间那个 点的瞬时速度？ 生是的，所以还是除0.2 s吧，也不算太麻烦。

上述的讨论中，通过小组合作，将一位教师对几十位学 生的“单向传输”变成了同学间的“多向传输”，可以及时 地发现和解决问题。而且学生的思维大多比较接近，对同一 问题具有大致相同的理解方式，可以站在彼此的角度上来讲 解问题，也更能理解彼此思维上的困惑和想要表达的意思， 沟通更加顺畅，课堂效果自然更好。

（五）立足数学基础，渗透数理结合 在教学由实验所得的v-t图像求加速度时，部分学生遇到了难题：他们无法理解为什么表示匀变速直线运动的是一 条倾斜的直线。我尝试用y=kx+b和v=at+v0的类比来讲解， 但仍有部分学生不能理解。后来，通过与数学教师的交流， 我了解到现在初中数学对函数的要求有所降低，导致了学生 的数学基础与物理学科要求脱节的现象。在数学教师的提示 下，我改用了“三角形相似法”：由图5中三角形相似可得 Δv/Δv′=Δt/Δt′，进而得到Δv/Δt=Δv′/Δt′，即 a=a′，加速度不变。由此得到v-t图像为倾斜的直线意味着 物体做匀变速直线运动。

在此基础上，学生再结合实验所得v-t图像分析小车的 运动情况，得到在钩码拉动下和在斜面上，小车的运动都是 匀加速直线运动，且钩码的拉力越大，小车的加速度越大。

在与数学教师的交流中，我还了解到，高中阶段数学教 学滞后于物理学科要求的情况还会发生，甚至本实验中用到 的科学计数法、有效数字等数学内容，学生也并没有完全掌 握。我认为，为了解决这个问题，物理教师可以自己给学生 及时填补，也可以请数学教师协助。但在渗透数理结合时， 必须立足于学生现有的数学基础，不能由于数学学习的困难 而影响学生物理学习的积极性。

参考文献：
［1］ 陈琦，刘儒德．当代教育心理学［M］.北京：北京师范大学出版社，2007. ［2］ 李新乡，张德启等．物理教学论［M］.北京：科 学出版社，2005. ［3］ 廖伯琴．创新人才培养：物理探究活动开发与指 导［M］.南京：江苏教育出版社，2012. ［4］ 曹前程．浅谈教材资源的开发与整合策略［J］. 中学物理教学参考，2013（4）. ［5］ 邓中良．“用打点计时器测速度”教学案例及分 析［J］.物理通报，2008（2）.