高中物理新舊教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)的分析與改進(jìn)

周庭艷，吳波（遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州遵義563002）

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高中物理新舊教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)的分析與改進(jìn)

周庭艷，吳波
（遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，貴州遵義563002）

摘要：從高中物理教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)出發(fā)，分析了新舊教材中這一部分教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對新教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)提出了新的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：胡克定律；演示實(shí)驗(yàn)；教學(xué)設(shè)計(jì)；改進(jìn)

從物理現(xiàn)象引出物理問題，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用物理概念、規(guī)律解決實(shí)際問題，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，也能夠充分發(fā)揮教師的指導(dǎo)作用。演示實(shí)驗(yàn)作為一種很好的教學(xué)方式在物理教學(xué)中占有重要的地位。通過演示實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)問題，引入課題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；可以展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為形成物理概念和建立物理模型奠定事實(shí)基礎(chǔ)[1]。同時(shí)，物理演示實(shí)驗(yàn)生動(dòng)、有趣，能為學(xué)生形成物理概念、得出物理規(guī)律營造出活生生的物理情境，是物理教學(xué)的重要手段之一，是培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)探究精神的重要途徑[2]。

對教材演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)是近年中學(xué)課程改革的重要內(nèi)容。作者在指導(dǎo)學(xué)生試講和畢業(yè)論文的過程中發(fā)現(xiàn)，《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理（必修）》（以下簡稱新教材）中的一些演示實(shí)驗(yàn)相對于《全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修）·物理》（以下簡稱舊教材）有了明顯改進(jìn)，這種改進(jìn)傳達(dá)的信息和理念值得師范院校的師生深刻分析和領(lǐng)會(huì)。作者以新舊教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)為例，分析了新舊教材的優(yōu)缺點(diǎn)，并對胡克定律演示實(shí)驗(yàn)提出了新的改進(jìn)方案。

1舊教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)

如圖1所示，在彈簧不掛重物時(shí)，用刻度尺準(zhǔn)確測出彈簧的長度并填入表1。在彈簧下依次掛上1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)鉤碼……，用刻度尺測出此時(shí)彈簧的長度，并將數(shù)據(jù)依次填入表1。以鉤碼的重力和彈簧伸長的長度在坐標(biāo)圖上描點(diǎn)，并用光滑的直線使點(diǎn)均勻分布在直線的兩旁（如圖2所示）。根據(jù)圖形，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法，在誤差允許范圍內(nèi)，得出胡克定律：F=kx[3]。

圖1彈力與彈簧伸長量的關(guān)系

圖2鉤碼重力與彈簧伸長量坐標(biāo)圖

表1數(shù)據(jù)記錄表

這種演示胡克定律的方式，優(yōu)點(diǎn)在于形象、直觀，教師容易操作，學(xué)生容易理解，但其缺點(diǎn)也很明顯。首先，重復(fù)的加重、測量，使實(shí)驗(yàn)操作機(jī)械、呆板，不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，得出結(jié)論的過程繁雜，記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多；其次，由于彈簧自身有重力，使彈簧伸長的長度不完全是由鉤碼重力引起，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大；最后，由于直線不過原點(diǎn)，使圖形不能準(zhǔn)確反映結(jié)論。

2新教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)

新教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。彈力的大小跟彈簧的形變大小有關(guān)系，彈簧形變越大，彈力就越大，彈簧形變消失，彈力就隨之消失，彈力與彈簧形變的定量關(guān)系，一般來講比較復(fù)雜，而彈簧的彈力與彈簧的伸長量（或壓縮量）的關(guān)系則比較簡單。圖3給出了三根彈簧，左端分別固定；第一根為原長，右端對應(yīng)于坐標(biāo)原點(diǎn)；另外兩根由兩只手分別向右拉伸，拉伸長度不一致，其長度分別對應(yīng)于上方坐標(biāo)軸的橫軸x1、x2點(diǎn)，再根據(jù)圖中兩只手拉彈簧的力F1、F2，直接作彈力與彈簧伸長量的關(guān)系圖，就得出胡克定律。彈簧發(fā)生彈性形變時(shí)，彈力的大小F跟彈簧伸長（或壓縮）的長度x成正比，即F=kx[4]。

圖3彈力與彈簧伸長量的關(guān)系

新教材將彈簧的固定方向由豎直方向改為水平方向，克服了彈簧本身的重力，大大降低了實(shí)驗(yàn)的誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更加精確，也使實(shí)驗(yàn)過程大大簡化。然而，這種演示方法也給師生帶來新的困惑。在圖3中，雖然彈簧的原長度和伸長的長度可以很方便地從橫坐標(biāo)上讀出，簡化了刻度尺測量的過程，避免了讀數(shù)引起的誤差。但是，手拉彈簧的力卻無法量化，即無法判斷圖3中F1、F2的實(shí)際大小。因此，坐標(biāo)圖中F1、F2的值是怎樣確定的，正比例函數(shù)的圖形是怎樣畫出來的，為什么圖形是直線而不是曲線，這些疑問在圖3中均得不到解釋。另外，彈簧水平放置，雖然減小了豎直方向上彈簧自身重力帶來的誤差，但是，對于自身重力較大的彈簧，在拉伸（或壓縮）過程中，彈簧受自身重力的影響，可能會(huì)發(fā)生彎曲，導(dǎo)致測得的伸長量不是彈簧本身的伸長量，同樣會(huì)引入實(shí)驗(yàn)誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確推導(dǎo)出胡克定律。

3對新教材胡克定律演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

圖4是作者設(shè)計(jì)的胡克定律演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案。作者將圖3中的彈簧改為彈簧測力計(jì)，左端固定，在彈簧測力計(jì)下方放置一把直尺，以彈簧測力計(jì)的右端與直尺零刻度線對齊，并對應(yīng)于坐標(biāo)軸的原點(diǎn)。用手拉彈簧測力計(jì)，從測力計(jì)上準(zhǔn)確讀出示數(shù)F1，從直尺上準(zhǔn)確讀出此時(shí)的伸長量x1。繼續(xù)拉彈簧測力計(jì)，并準(zhǔn)確讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù)F2和直尺上的示數(shù)x2，以此類推繼續(xù)拉第3次、第4次…，依次讀出彈簧測力計(jì)和直尺上的示數(shù)F3、x3，F(xiàn)4、x4…，在坐標(biāo)圖上分別畫出F1、x1，F(xiàn)2、x2…，根據(jù)坐標(biāo)圖上的F1、x1，F(xiàn)2、x2…以及坐標(biāo)原點(diǎn)，就可

以畫出一條過原點(diǎn)的直線，從而推導(dǎo)出胡克定律。

在圖4的改進(jìn)方案中，由于使用了彈簧測力計(jì)，可以從彈簧測力計(jì)上準(zhǔn)確地讀出手拉彈簧的力，使手拉彈簧的力得到量化；同時(shí)，由于彈簧自身的質(zhì)量非常小，可以大大減小彈簧在拉伸過程中因重力彎曲產(chǎn)生的誤差。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案可以使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、更直觀，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力。而且，教師能夠事先自制器材，使用較軟的彈簧制作彈簧測力計(jì)，使彈簧在拉伸過程中能有較大的長度變化，使實(shí)驗(yàn)更具演示效果。

圖4彈力與彈簧伸長量關(guān)系的改進(jìn)示意圖

4總結(jié)

演示實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的示范作用，因此對于演示實(shí)驗(yàn)的要求應(yīng)更嚴(yán)謹(jǐn)、更規(guī)范才能體現(xiàn)教學(xué)改革的精神。從新教材的胡克定律演示實(shí)驗(yàn)來看，顯然還有改進(jìn)的空間。作為師范院校的教師，有責(zé)任和義務(wù)讓學(xué)生掌握分析教材、質(zhì)疑教材、改進(jìn)教材的能力。這種敢于質(zhì)疑、敢于創(chuàng)新的精神才是當(dāng)代中小學(xué)教學(xué)改革師資隊(duì)伍建設(shè)的精髓所在。

參考文獻(xiàn):

[1]劉炳昇.漫談演示實(shí)驗(yàn)的精心設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué),2011,(8): 22-24.

[2]譚小紅.淺談幾個(gè)物理演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].教學(xué)與管理，2011，(31):68-70.

[3]人民教育出版社物理室.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修）·物理(第一冊)[M].北京:人民教育出版社,2002.

[4]人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理(必修1)[M].北京:人民教育出版社,2004.

（責(zé)任編輯：朱彬）

Onthe Analysis and Improvement of the Demonstrative Experiment of Hooke’s Lawinthe Oldand New Textbookof Senior High Schools

ZHOU Ting-yan; WU Bo
(School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering, Zunyi Normal College, Zunyi 563002, China)

Abstract:The weak and strong points of teaching design on parts of teaching contents from old and new textbook are analyzed from the perspective of demonstrative experiment of Hooke’s law in the physical textbook of senior high school, and then some methods are put forwards as to how to improve weak points.

Key words:hooke’s law; demonstrative experiment; teaching design; improvement

作者簡介：周庭艷，女，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

基金項(xiàng)目：遵義師范學(xué)院基礎(chǔ)教育研究課題（13ZYJ003）

收稿日期：2015-05-11

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1009-3583（2015）-0140-02