1 運用科學探究方式 啟迪創新思維 摘要：本文通過多普勒效應一節為例，設計探究性方案，讓學生自主思維、動手實驗，體驗探究過程的曲折和樂趣，發展其科學探究能力，增強他們的創新意識。 關鍵詞：科學探究 ；多普勒效應 ；創新思維 新課程標準指出：高中物理課程應促進學生自主學習，讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步形成科學態度與科學精神。筆者在教學實踐過程中，精心設計探究性課題，把學生置于開放、多元的學習環境中，確立 學生在學習中的主體地位，增進獨立思考能力，啟迪創新思維。現在以全日制普通高級中學教科書物理 (人教版 )第二冊多普勒效應一節為例，談談自己在這方面的做法。 1 探究性學習的前期準備 先簡單介紹多普勒效應源于 1842 年奧地利物理學家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時，聽到火車汽笛聲音調變化，啟迪學生應留意生活中的物理知識，知道偉大的發現就在自己身邊，從而激發學生探索的興趣。 然后讓學生預習并自學本節的知識，以求對物理知識的大致認識，同時介紹一課外小制作，完成探究性活動的準備工作。 小制作叫 蟬 民間玩具 叫蟬是一種竹木制的民間玩具，由鳴蟬 (發音體 )、系線和甩棒構成，如圖 1 所示。轉動甩棒，使系線帶動鳴蟬做圓周運動，將聽到一陣陣音調起伏的鳴叫聲，類似蟬鳴。而且叫蟬以順時針、逆時針、低速和高速旋轉時能發出不同的蟬鳴聲。 制作方法取一小筒，用燒紅的細鐵釘在竹筒的低部戳穿一小孔，讓一細線穿孔系牢。再取一根筷子，在粗端刻一凹槽，在槽中熔入少許松香，細繩的另一端在凹槽中，可以自由轉動。用萬能膠粘一對透明薄絹作翅膀，稍加修飾，便成一叫蟬。甩動筷子，即能出音調起伏的鳴叫聲。 原因 解釋聲音是由于物體的振動產生的。叫蟬是由蟬體 (空腔、空腔底膜和系線組成。 甩棒使叫蟬作圓周運動時，系線被接緊，系線的一端在棒上的凹槽中轉動，由于有松香細末的參與，加大了系線與棒的摩擦，從而通過系線使得竹筒底膜發生振動，膜的振動又推動竹制空腔的空氣，產生共鳴，便聽到了聲音。 布置學生課外自己制作 “ 叫蟬 ” ，并啟迪：大家能不能設計方案探究多普勒效應呢 ? 2 探究性學習實施過程 學生制作完成后，到學校操場完成探究性學習。讓學生先旋轉自己制作的鳴蟬，發現 “ 知知 ” 的聲音，不發聲的教師指導改進， 并讓學生匯報自己的探索設計方案。然后，確定以下探究方案 (學生興奮不已 )： 2 (把學生分成十組，選出叫聲較響的十個叫蟬做實驗。 )指導學生完成以下探索，研究在哪些條件下會發生多普勒效應 ?(或者讓學生做實驗并設計方案自主探索研究。 ) 第一種情況：一人在水平面內勻速率快速旋轉細線 (如圖 1)，使叫蟬發聲，該組其他同學站在原地仔細聽，判斷音調是否變化，是否有多普勒效應發生 ?探究后，學生回答：有。 第二種情況：一人在水平面內勻速率快速旋轉細線 (如圖 1)，使叫蟬發聲，該組的其他同學靠近或遠離叫蟬，判斷音調是 否變化，是否有多普勒效應發生 ?探究后，學生回答：有。效果比第一種情況更明顯。 第三種情況：一人在水平面內旋轉細線，使聲源 (叫蟬 )繞著人做勻速率圓周運動，此人在轉動軸心處傾聽，判斷音調是否變化，是否有多普勒效應發生 ?探究后，學生回答：有。 第四種情況：一人在水平面內旋轉較長的細線，使叫蟬做勻速率圓周運動，另一人隨著叫蟬一起運動，此人、叫蟬和圓心始終三點共線 (如圖 2)，該人判斷音調是否變化，是否有多普勒效應發生 ?探究后，學生回答：有。 第五種情況：讓每組學生拿出事先帶來的小錄音機，并用粉筆在操場上畫出標準圓圈，錄音機的喇叭口放在圓心處，使其口朝上放出某一音調的音，每人沿著圓圈做圓周運動，判斷音調是否變化，是否有多普勒效應發生 ?探究后，學生回答：無。每組學生都積極主動地進行實驗，認真感知、分析，沉浸在探究的愉悅之中，在愉快中進行學習。等幾組實驗都完成后，分別讓他們匯報究結果，從而可以培養學生的信息收集處理能力、語言交流表達能力、團隊協調合作能力等等。最后，下課鈴響以后，學生們依依不舍地離開了操場。 為什么會出現這些現象呢 ?讓我們一 起仔細探討一下： 設觀察者相對于均勻介質不動，而波源運動 (就像我們站在鐵道旁聽駛來、駛去的火車的汽笛聲 )，這時波源發出的波，其波面，如圖 3 所示。當波源向右運動時，觀察者不動，波源由 S1 運動到 S2，波源右方的波面變得密集，波長變化，左方的波面變得稀疏，波長變長，但波在介質中的傳播速度并沒有改變。觀察者在波源右側時，在單位時間內接收到的完全波的個數增多，觀測頻率增大，音調變高。同理，觀察者在波源左側時，其觀測頻率減小，音調變低。 第一種情況：當觀測者站著不動時，叫蟬轉過去，屬于遠離觀測者，人站在前面 單位時間內接收到的完全波的個數減少，觀測頻率小于波源頻率，故音調變低 ；反之，叫蟬轉過來屬于靠近觀測者，故音調變高。 3 第二種情況也是如此，只不過觀測者還在做靠近或遠離運動，使觀測者單位時間內接收到的完全波的個數更多或更少，效果更為明顯。 第三種情：當波源 (叫蟬 )繞著圓心 (人 )做勻速率圓周運動時，沿圓 O 的法向波面發生了變化，如圖 4 所示，使人耳單位時間內接收到的完全波的個數發生了變化，故音調發生了變化。在這種情況下，波源與觀察者之間既沒有靠近，也沒有遠離，卻有多普勒效應發生。 第四種情況：人隨著叫蟬沿圓 O 的切向一起前進，勻速率旋轉的叫蟬所形成的波面，如圖 5 所示。在圓的法線方向，人始終與波源 S 的間距不變 (人、叫蟬和圓心始終三點共線 )，沿圓的法線方向波面發生了變化，故人單位時間內接收到的完全波的個數發生了變化，會發生多普勒效應。 第五種情況：人在其中的一個波面上繞著波源做圓周運動，人耳單位時間內接收到的完全波的個數并沒有改變，故不會發生多普勒效應。 3 探究性學習成果，對課本知識的創新拓展 該探究性實驗，拓寬了學生的思路，啟迪了創新思維。課本上只描述 源與觀察者相對運 4 動中的相互靠近或遠離會產生多普勒效應。通過探究性學習，同學們提出了一些新的觀點：波源和觀察者即使沒有靠近或遠離，也會有多普勒效應發生。如第三、四種情況。即使有相對運動，也不一定有多普勒效應發生，如第五種情況。所以教科書最好略作修改，最好多定性探討一些其他情況，以豐富學生對多普勒效應的深入認識。 4 探究性學習能激發學生強烈的好奇心和求知欲，使他們提出一些新的問題 學生通過實驗探究，興趣大增，思維的閘門打開，提出一系列新的問題： 人耳聽到警車發出的 “ 哇嗚、哇嗚 ” 的報警聲是否屬于 多普勒效應 ?