在物理實驗中注意捕捉“意外”的探究

丁德生

（江蘇省興化中學 江蘇 泰州 225700）

實驗中的“意外”現象時有發生.捕捉住這種“意外”并進行探究，會引起激烈的心理沖突，因為，“意外”的出現打破了思維的“慣性”，這種稍縱即逝的“意外”或“機遇”，作為寶貴的課堂資源可用來克服心理定勢，構建新的概念，拓展新的認識特別有效.

在實驗教學中“意外”時有發生.平時我們的同學在學習時往往涉及到過多的理想情況，如光滑斜面，電源內阻忽略不計，燈絲電阻不隨溫度而改變等等，接觸多了也就成了自然，甚至想都不想，而實際不理想的因素卻都是不可避免地存在著，“意外”也就不斷出現了.處理“意外”，對教師既是一種挑戰，又是一種考驗.教師如果能很好的留意，發現其中的奧妙，因勢利導，及時、巧妙地處理，挖掘探究的深度，能使學生點燃思維的“火花”，獲得獨特的感悟，往往能轉化課中的亮點.實驗中出現的各種各樣的“意外”的分析與處理，不僅能更深入地了解實驗思想，還能通過這些實際問題的解決，提高對實驗條件及設計者煞費苦心的理解，甚至能設計出解決意外的巧妙方案，“意外”成了相當豐厚的課堂寶貴資源.下面呈現幾個片斷實錄，僅供參考.

片斷1：指針怎么不聽使喚了呢？

用如圖1所示電路測定電源電動勢和內電阻.選用儀器如下：

（1）待測干電池2節；

（2）安培表0～0.6A，0～3A雙量程；

（3）電壓表0～3V，0～15V雙量程；

（4）滑動變阻器0～50Ω；

（5）開關、導線若干.

圖1

實驗前設計好了數據表格，電流每間隔0.10A記錄一組數據，數據記錄表格見表1.

表1 電壓表讀數U－電流表讀數I記錄表

實驗時“意外”出現了，滑動變阻器在調節時只集中在阻值小的一頭很小范圍內電流電壓才有明顯的變化，而在阻值較大時調到預設值有點難，電壓表指針變化很小，不聽使喚.“難道是儀器壞了嗎？”

學生自言自語道.教師看了一眼發問道：“滑動變阻器調節的全過程都這樣嗎？”“不，只是出現在接入的阻值大的時候.”學生答道，“那說明與滑動變阻器接入電阻值有關，究竟是什么關系能確定嗎？”教師給了同學一些啟發.同學若有所思，應用U＝得到：當Rr時，U≈E，此時調節R時U幾乎等于電源電動勢，變化很小.

這正是實驗中的“意外”，原來是實驗時滑動變阻器選大了.將滑動變阻器換成小點的阻值為0～20Ω，一切都與預想的一樣，操作也方便，很快就得到了該測量的數據.有一個同學又提出一個問題，“前面的問題是滑動變阻器阻值選大了，如電源內阻較大也就不會出現這樣的意外了，難怪有的課外講義講實驗時選用內阻更大的舊電池效果更好些，那么能否‘增加電源內阻’使實驗進行下去呢？如新電池通過串聯一只已知電阻來實現.”說干就干，拿一只5～10Ω的定值電阻與電池串聯，而不調換滑動變阻器，實驗調節時指針同樣的穩定，作出的圖線也與預想一致，減去串聯的電阻值，測出的電池的電動勢和內阻值與前面測出的吻合得很好.“原以為用滑動變阻器調節能變就行，想不到它的數值對實驗影響這么大，實驗設計太有學問了.”課后有同學感慨道.由于實驗的“意外”竟能使學生理解得這么深刻，到使老師感到有點“意外”了.

片斷2：曲線怎么不過原點呢？

“同學們，今天我們課上進行探究做功與物體速度之間的關系，先進行理論探究，再進行實驗驗證，實驗裝置如圖2……”通過理論探究同學們已得出了做功與物體速度之間的關系，也明白了利用相同橡皮筋形變相同，做功相同的巧妙設計，解決了橡皮筋的功難以計算的問題，同學們被精彩的設計深深一打動了，“哇，太精妙了！”一下子積極性被充分地調動起來了，一個個懷著滿腔的熱忱全身地投到接下來的實驗中去，一會兒數據就測出來了，作圖驗證速度與做功的關系，但結果似乎有點“意外”.

（1）數據點v2－W圖像的線性有點差（如圖3），有好幾個點與一直線相距甚遠.

（2）圖線不過原點，且相距較遠.

圖2 探究物體做功與速度關系的實驗裝置

圖3

對于第一種情況還可用計算誤差，橡皮筋的差異來勉強解釋.第二種情況小車每次都由靜止釋放沒有力做功時應該不能獲得速度，直線應過原點，且大多數同學都這樣，這不是偶然的.吸取上次實驗教訓同學們一開始就從被忽略的因素上找原因.“摩擦力”大家幾乎異口同聲地說道.以前自以為小車與平板間是滾動摩擦可以忽略，現在看起來要重新評估了.給小車一個初速度，果然運動不太遠速度就明顯減小了，看來摩擦力的影響不得不考慮了，那么考慮摩擦力影響如何處理呢？不一會同學們討論出兩個解決的方案：

（1）測量摩擦力計算做功，但這一方案一方面由于橡皮筋的彈力是變力，橡皮筋恢復形變時小車的速度已經過了最大值（速度最大時彈力與摩擦力平衡），所以從紙帶上很難確定橡皮筋恢復形變時小車的位移，計算功更難；另一方面涉及的物理量太多誤差難以控制（點評：學生現在已能夠從實驗的實際情況考慮實驗設計了，教師很欣慰）.

（2）“回避”即平衡摩擦力，相比第一種此方案既簡單又準確，至此同學們對不同方案對實驗的影響體會更深了，牛頓第二定律平衡摩擦力的好處也更加明白.很快“平衡摩擦力”的實驗設計被“移植”過來了，調節好傾角，不一會實驗就做好了，當然結果也可想而知了.

片斷3：奇怪的伏安曲線

描繪小燈珠的伏安曲線實驗：

（1）小燈泡（3.8V，0.4A）；

（2）安培表0～0.6A，0～3A雙量程；

（3）電壓表0～3V，0～15V雙量程；

（4）滑動變阻器0～50Ω；

（5）開關、導線若干；

（6）電源電動勢約4.5V.

按如圖4電路將滑動變阻器接成分壓式，調節滑動變阻器按預定表格記錄數據.選擇測量點.電壓每隔1.0V測一組數據 （見表2）.

圖4

表2 電壓表讀數U－電流表讀數I記錄表

按數據在坐標紙上畫出對應點如圖5所示.幾個點幾乎在一直線上，趨勢與原點相差甚遠，曲線欲過原點在0～1V之間必有一明顯的彎曲，這一點附近的數據點的變化對曲線有很大的影響.而1～6V之間即使減少一兩個數據點卻對描繪圖線的形狀影響不大.于是有同學提出改進的方案：電壓值不必等間隔地選取，起始段和彎曲程度較大的部分間隔要小，使數據點密一些，其后較平直的部分間隔可以大些，這樣既能保證實驗的準確性又能夠提高實驗效率.根據這一原則幾個頭腦靈活的同學立即進行了補救，然而“意外”也同時出現了.匯總起來有兩種類型的問題：

圖5

（1）如圖6出現兩個不重合的伏安曲線，難道同一燈泡伏安曲線不唯一？

圖6

（2）插入的點偏離原曲線太大，甚至有點跳躍如圖7.

圖7

面對“意外”教師反問了一句：“我們想要得到的伏安曲線不也是彎曲的嘛，那么什么原因導致了彎曲呢？”“溫度變化引起的呀”，“難道問題還出在這溫度上？”教師沒有正面回答.同學們開始討論了，你一言我一語探討著出現“意外”的原因，那種投入的專注、討論的積極、場面的激烈無一不反映濃濃的探究氛圍.不一會就達成了共識，恰恰就是溫度的變化引起的，原來第一次實驗時電流由小到大調節燈絲溫度上升有一時間的延遲，第二次實驗電流是由大到小調節燈絲溫度下降也有一時間的延遲，相對第一次實驗相同的電流第二次的溫度較高，燈絲電阻大分得電壓也自然較大，第二次的數據點在第一次的上方.很快同學們也找到了另一無規則圖線的原因，原來是為了在圖線彎曲最明顯地方再添加數據，使圖像更準確.中途大幅改變電流是由于溫度的延遲引起數據的不連續.從頭按次序按要求再做一次實驗，漂亮的曲線出現了，多么完美的結果呀，同學們臉上露出了燦爛的笑容.

絕大部分劃時代的發現，或多或少都是因為意外作出的.雖然從選題、實驗設計、構思，一直到對獲得的經驗材料加工整理，都有明確的目的性和計劃性，但是，這一切都不是絕對的，一旦出現與已有范式不相容的事實，就構成科學活動中的“偶然”，本來研究此現象，卻意外地發現了彼現象；為某個問題所困擾、百思不得其解，卻因為另一個意外的事件提供了有希望的線索而豁然開朗，開辟了發現的坦途.正因為此，人們把觀測和實驗中導致發現的、出乎意料的現象或事件，稱為機遇.教學是個動態系統.學生的思維是活躍的，他們不可能按教師預先設想的同一思維軌道運行.課堂氣氛越是活躍，學生越勤于思考，出現的“意外”就會越多.蘇霍姆林斯基說過“教育的技巧并不在于我能預見到課的所有細節，在于根據當時的具體情況，巧妙地在學生不知不覺之中做出相應的變動.”冷靜、機智、妥善地處理意外情況，把握每一次機遇不僅可以使教學收到意想不到的效果，而且表現出教師在處理問題上的聰明才智，使學生親身感受到課堂教學所獨具的魅力，從而增強學生學習的興趣和積極性.

法國著名微生物學家巴斯德曾經說：“在觀察的領域中，機遇只偏愛那種有準備的頭腦.”教師應當注重培養學生敏銳的洞察力，掌握豐富的準備知識，簡單地說，就是要讓他們的頭腦作好準備，對客觀事件的進程和事件豐富多彩的現象時刻保持警覺，一旦機遇出現，就認出它，從中找到解決問題的線索.面對意外（甚至在教學過程中有意識地制造意外）教師不應拘泥于預設的教學流程，而應獨具慧眼，讓師生在寬松和諧、互動合作、情趣橫生的空間里展示心靈的對話，引導學生及時捕捉線索，抵制心理和落后勢力的阻撓，抓住線索，追根究底，弄清真象，作出科學解釋，實現機遇的轉化.在傳授知識的同時注重培養學生保持對意外事物的警覺性，在對細小線索注意中取得新發現的同時培養學生的科學精神，為學生今后的發展進行知識和能力的儲備，只有這樣，課堂才是活的，教學才是最完美的，教學活動也才是最有價值的.

1 劉大椿.科學哲學（第1版）.北京：人民出版社出版，1998.62