淺談如何設(shè)計(jì)力學(xué)自主性學(xué)生實(shí)驗(yàn)

◎江加全

一、以多測(cè)少，以少測(cè)多

不管什么類型的測(cè)量?jī)x器均提前設(shè)定了測(cè)量范圍，一旦被測(cè)量數(shù)值超過了儀器的測(cè)量范圍，則會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差，不利于測(cè)量工作的順利開展，但如果使用分次測(cè)量的方法則可能出現(xiàn)更大差別。當(dāng)被測(cè)量的對(duì)象小于儀器的最小刻度值時(shí)，測(cè)量不出一個(gè)有效的數(shù)據(jù)而無法得出較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。遇到這種情況，就要采取“縮小”即以少測(cè)多，或“放大”即以多測(cè)少的方法。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注意：

1.所測(cè)對(duì)象必須是“同類物質(zhì)” 例如：要測(cè)量一顆麥粒的質(zhì)量，顯然小于天平的最小刻度值而無法直接測(cè)量，這時(shí)就要測(cè)量幾十?；驇装倭Ｏ嗤柠溋Ｙ|(zhì)量，再如：用一把米尺測(cè)量?jī)傻鼐嚯x，顯然米尺不夠長(zhǎng)，就可采用先測(cè)量正常行走的每一步長(zhǎng)，再統(tǒng)計(jì)步數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)就要求步伐大小相等，即保持正常步行。

2.“放大”或“縮小”后的測(cè)量對(duì)象，應(yīng)滿足測(cè)量器材的要求 即小于儀器測(cè)量范圍而大于測(cè)量?jī)x器的最小刻度值，也就是說要有一定的數(shù)量可改變。例如：測(cè)一枚硬幣的厚度時(shí)，就可用10枚相同硬幣地疊放，但要測(cè)量一張紙的厚度時(shí)，測(cè)量10張相同紙疊放的厚度就不行，根據(jù)每張紙的厚度，就應(yīng)取幾十張紙疊放測(cè)量才有效。要指出的是，在采用“以多測(cè)少”時(shí)，實(shí)際上是提高了測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度。

二、“比較法”進(jìn)行測(cè)量

當(dāng)使用測(cè)量?jī)x器不能直接進(jìn)行測(cè)量時(shí)，筆者認(rèn)為可以利用類比的做法，要想合理應(yīng)用這種方法，首先要確定“參照物”，如人們耳熟能詳?shù)摹安軟_稱象”就是應(yīng)用了類比法。初中物理實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)量物體的密度時(shí)，人們通常會(huì)將水作為主要參照物。如要想測(cè)量橡皮泥與小酒杯的密度，但手中只有量筒和水，那么應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？大多同學(xué)經(jīng)過思考，可以順利得出測(cè)量小酒杯密度的方法，但思索不出測(cè)量橡皮泥密度的方法，筆者引導(dǎo)學(xué)生對(duì)上述二種物體的測(cè)量進(jìn)行了對(duì)比，第一，都使用量筒；第二，都使用水；第三，二種物體的密度均高于水。只需將橡皮泥做成水杯的形狀，則可以順利解決上述問題。

三、等量替代原理

當(dāng)測(cè)量器材無法直接測(cè)量時(shí)，就要設(shè)法用可以直接測(cè)量的物理量來取代不能直接測(cè)量的物理量。采用此方法時(shí)，唯一要注意的是直接測(cè)量的與不能直接測(cè)量的物理量之間要有內(nèi)在的聯(lián)系，找到這種內(nèi)在的聯(lián)系，也就完成了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。內(nèi)在的聯(lián)系一般可從數(shù)學(xué)和物理兩方面去找。可以說“等量替代”的思想是物理實(shí)驗(yàn)成功的最根本、最重要的思路。物理學(xué)中的相關(guān)定律、定理、公式、原理都是以替代思維成立的基礎(chǔ)為出發(fā)點(diǎn)的。例如：測(cè)量固體的體積，在有量筒或量杯時(shí)，可采用“排液補(bǔ)差”法直接測(cè)量。但沒有量筒或量杯時(shí)，對(duì)于規(guī)則物體可用刻度尺去測(cè)量它的幾何尺寸，再進(jìn)行體積計(jì)算，對(duì)于不規(guī)則的物體，可用彈簧秤和水，通過測(cè)量浮力大小，結(jié)合阿基米德原理F?。溅岩篻V排（全部浸沒），得出V排＝F浮/ρ液g等方法。因此熟悉各個(gè)物理量原理是用好“等量替代”法進(jìn)行自主性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中，要求實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)切實(shí)可行，要保證得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不要過于復(fù)雜。

合理確定實(shí)驗(yàn)步驟可以保證實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行，得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。如在擁有天平、量筒、燒杯的情況，要求測(cè)量液體的密度，那么應(yīng)該將測(cè)量杯子質(zhì)量與測(cè)量杯子液體質(zhì)量哪一個(gè)放在前面呢？利用與量筒中液體體積對(duì)比，則得到應(yīng)該先測(cè)量燒杯與液體的質(zhì)量，再測(cè)量剩余液體的質(zhì)量，在計(jì)算得出二者之差后，即掌握了燒杯中缺少液體質(zhì)量，讀出量筒中液體的體積，即為燒杯中缺少液體體積，可以將實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差降到最低。

四、控制變量法

在初中物理教學(xué)中還有許多概念或規(guī)律之探索和推導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)過程中，都運(yùn)用了“控制變量法”這一科學(xué)方法，用“控制變量”去分析和解決的實(shí)際問題是很多的，這就為這一科學(xué)方法的教學(xué)和應(yīng)用提供了很好的機(jī)會(huì)。如在引導(dǎo)學(xué)生探索“導(dǎo)電體中電流大小同其兩端電壓大小和其電阻大小之間的定性關(guān)系，最終得出歐姆定律”和探索“力的作用效果同力的哪些因素有關(guān)，最終得出力的三要素”等實(shí)驗(yàn)過程中都用到了這一科學(xué)方法，使學(xué)生對(duì)“控制變量法”不斷加深理解，并逐步達(dá)到有意識(shí)地去應(yīng)用的目的。

如下面的習(xí)題：水與煤油的質(zhì)量相同，如果對(duì)二者放出相同的熱量，那么哪一種物體的溫度較高？學(xué)生在看到這個(gè)習(xí)題時(shí)，會(huì)覺得解答存在一定的困難，在短短的幾句話當(dāng)中應(yīng)用了四個(gè)物理量，要想得到哪一種物體升高的溫度大，則需深入研究其他三種物理量共同作用產(chǎn)生的后果，一旦不能選擇合理的研究方法，那么在解決這一問題過程中則會(huì)遇到諸多困難，而且得到的結(jié)果也可能存在一定的誤差，但如果教師能夠引導(dǎo)得法，鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法解決實(shí)際問題，從而將物理學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合在一起，學(xué)生在相互討論與共同研究的基礎(chǔ)上，有的學(xué)生提出可以應(yīng)用“控制變量法”融入公式Q＝cmΔt，能夠順利完成此題的解答，學(xué)生是這樣思考的：此問題要求學(xué)生得到Δt的變化情況，可以先改變公式為Δt＝Q/cm，再對(duì)題中所給的條件進(jìn)行研究，可以得到二個(gè)物體的質(zhì)量與吸引的熱量是相同的，那么Δt的變化只需研究物體的比熱即可，而且利用深入觀察Δt＝Q/cm，發(fā)現(xiàn)Δt隨著c的增大而減小，依據(jù)物理知識(shí)得到，水的比熱要高于煤油的比熱，所以可以在此基礎(chǔ)上輕松得到煤油升高的溫度大.在初中物理（如在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)）中，可用“控制變量”這一科學(xué)方法去分析解決的實(shí)際問題還很多，這就為學(xué)生靈活應(yīng)用這一科學(xué)方法解決問題提供了保證。

［1］李榮江.力學(xué)自主性學(xué)生實(shí)驗(yàn)的幾種特殊測(cè)量方法［J］.貴州教育.2005年9期