物理力學實驗數(shù)據(jù)獲取與受力分析處理探究

【摘要】 新課程改革大力倡導在各科中培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，是物理課程改革的一個根本目標。而有效落實這一目標的關(guān)鍵，是積極主動地開展科學探究活動。實驗是物理課程改革的重要環(huán)節(jié)，是落實物理課程目標、全面提高學生素養(yǎng)的重要途徑，也是物理課程改革的重要資源。因此，對于實驗數(shù)據(jù)的獲取與分析處理顯得非常重要。本文從研究的背景和意義談起，闡述中等職業(yè)學校力學實驗數(shù)據(jù)的獲取與分析處理步驟。

【關(guān)鍵詞】 中職物理力學 實驗數(shù)據(jù)獲取 分析處理 整體法 隔離法

【中圖分類號】 G712 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2016）01-033-020

1.研究的背景和意義

1.1物理課程改革的理念

物理課程改革的核心理念是通過突出科學探究來提高學生的科學素養(yǎng)?？茖W探究是新一輪物理課程改革的突破口，中等職業(yè)學校物理課程標準中明確指出：在課程目標上，過程與方法作為三維目標之一單獨列出，要求學生經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律；在課程內(nèi)容上，將科學探究列入內(nèi)容標準，根據(jù)科學探究的七個要素，對科學探究能力提出具體要求。

1.2物理學科的特點

物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學，實驗不僅是一種驗證性的實踐活動，更是一種探究性的實踐活動。探究性實驗作為一種重要的實驗形式，同時也是科學探究的一種有效方式。探究性實驗能更充分地體現(xiàn)學生學習的主動性、探索性和創(chuàng)造性，探究性物理實驗可以在物理實驗教學中發(fā)揮重要作用。因此實驗數(shù)據(jù)的獲得和對實驗數(shù)據(jù)處理就顯得特別重要。

1.3物理實驗教學的現(xiàn)狀

長期以來，傳統(tǒng)的物理實驗教學存在著三種傾向：其一、表現(xiàn)為重理論輕動手；其二、表現(xiàn)為只動手不動腦；其三、表現(xiàn)為驗證多探究少。因此，基于對中等職業(yè)學校物理課程改革理念、物理學科特點以及物理實驗教學現(xiàn)狀的認識，要促進學生科學素養(yǎng)的全面提高，我們要用科學探究思想指導物理實驗教學改革，大力開展探究性物理實驗的教學，從而充分發(fā)揮物理實驗的科學探究功能，培養(yǎng)學生的科學探究能力，用科學的教學思想培養(yǎng)學生獲得實驗數(shù)據(jù)和對實驗數(shù)據(jù)處理的能力，進一步改進物理實驗教學的效果。

2.研究內(nèi)容和實施步驟

2.1中等職業(yè)學校學生對實驗數(shù)據(jù)的獲得和對實驗數(shù)據(jù)處理能力現(xiàn)狀調(diào)查

2014年以來，我們對新一年級學生進行學生生源情況調(diào)查，調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：新生90%左右是農(nóng)村人口，70%左右是邊遠黃河灘區(qū)和偏遠特困區(qū)農(nóng)家子弟。同時進行新生入學摸底考試和問卷調(diào)查，結(jié)果物理科平均成績不到30分（滿分100分），及格人數(shù)不到10%。問卷調(diào)查表明，新生的學習習慣不良，缺乏自主學習，與人溝通、合作交流、科學創(chuàng)新的能力，很大一部分同學初中三年都沒親手做過一次物理實驗，對基本物理實驗儀器的規(guī)范操作和使用，對如何有效地獲取并優(yōu)化處理實驗數(shù)據(jù)的手段和方法知道甚少。

2.2物理實驗數(shù)據(jù)的獲得和對實驗數(shù)據(jù)處理的實施途徑

（1）課堂教學中實施。

（2）課外活動中實施。

（3）實驗課上實施。

2.3常見實驗數(shù)據(jù)的獲得方法

2.3.1利用測量工具直接測量的基本物理量模塊

基本物理量測量儀器力學長度刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器時間秒表（停表）、打點計時器質(zhì)量（力）天平（彈簧秤）

2.3.2常見間接測量的物理量及其測量方法

有些物理量不能由測量儀器直接測量，這時可利用待測量和直接測量的基本物理量之間的關(guān)系，將待測物理量的測量轉(zhuǎn)化為基本物理量的測量。

模塊待測物理量基本測量方法

力學速度？利用紙帶，vm=Sx+Sx+12T；%利用平拋，v=xg2y加速度？利用紙帶，逐差法a=&ST2；%利用單擺g=4N2LT2功根據(jù)W=&Ex轉(zhuǎn)化為測量m、v3

2.4常用實驗誤差的控制方法

為了減小由于實驗數(shù)據(jù)而引起的偶然誤差，常需要采用以下方法控制實驗誤差。

（1）多次測量求平均值

這是所有實驗必須采取的辦法，也是做實驗應具有的基本思想。

（2）累積法

一些小量直接測量誤差較大，可以累積起來測量，以減小誤差。用單擺測定重力加速度 的實驗中，為了減小周期的測量誤差，不是測量完成一次全振動的時間，而是測量完成30～50次全振動的時間。

2.5常用實驗數(shù)據(jù)的處理方法

實驗中測得的數(shù)據(jù)需要很好地記錄、表示、分析、計算，然后從中得到實驗結(jié)論，找出實驗規(guī)律，這一過程稱為實驗數(shù)據(jù)處理。物理實驗數(shù)據(jù)處理的方法一般有列表法、公式法（逐差法）、平均值法、圖象法（化曲為直法、圖象外推法、圖象面積法）、計算機輔助處理數(shù)據(jù)。

（1）列表法

在記錄和處理數(shù)據(jù)時，常將數(shù)據(jù)列成表格。數(shù)據(jù)列表可以簡單而又明確的表示出有關(guān)物理量之間的關(guān)系，有助于找出物理量之間的規(guī)律性的聯(lián)系。列表的要求是 寫明表的標題或加上必要的說明；%必須交待清楚表中各符號所表示的物理量的意義，并寫明單位； 表中的數(shù)據(jù)要正確反映測量結(jié)果的有效數(shù)字。

（2）逐差法

這就是用打點計時器打出的紙帶計算加速度時用到的方法，這種方法充分利用了測量數(shù)據(jù)，具有較好的取平均的效果。

（3）平均值法

將測定的若干組數(shù)相加求和，然后除以測量次數(shù)。必須注意，求取平均值時應該按原來測量儀器的準確度決定保留的位數(shù)。

（4）作圖法

用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)是物理實驗中最常用方法之一。用作圖法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是直觀、簡便，有取平均的效果，由圖線的斜率、截距、所包圍面積和圖線的交點等可以研究物理量之間的變化及其關(guān)系，找出規(guī)律。作圖的規(guī)則是： 作圖一定要用坐標紙.坐標紙的大小要根據(jù)測量數(shù)據(jù)有效數(shù)字的多少和結(jié)果的需要來定；%要標明坐標軸名、單位，在軸上每隔一定相等的間距按有效數(shù)字位數(shù)標明數(shù)值； 圖上連線要是光滑曲線（或直線），連線時不一定要通過所有的數(shù)據(jù)點，而是要使數(shù)據(jù)點在線的兩側(cè)合理的分布；（在圖上求直線的斜率時，要選取線上相距較遠的兩點，不一定要取原來的數(shù)據(jù)點；）作圖時常設法使圖線線性化，即化曲為直。

（5）計算機輔助處理數(shù)據(jù)

當今，信息技術(shù)在中等職業(yè)學校物理學科中應用日益廣泛，學生的信息技術(shù)水平日益提高。利用計算機記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，利用計算機進行數(shù)據(jù)的圖象處理，已經(jīng)為廣大的師生所接受。計算機輔助處理數(shù)據(jù)是信息技術(shù)和物理學科整合的一個重要方面。

（6）有關(guān)誤差分析的問題

要求認識誤差問題在實驗中的重要性，了解誤差的概念，知道系統(tǒng)誤差和偶然誤差；知道用多次測量求平均值的方法減小偶然誤差；能在某些實驗中分析誤差的主要來源；不要求計算誤差。

3.學生對實驗數(shù)據(jù)的獲得和對實驗數(shù)據(jù)處理能力培養(yǎng)途徑探究

（1）變演示實驗為師生共同完成實驗，給學生創(chuàng)造更多的自主動手的機會。

（2）變學生實驗為學生自主動手設計實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（3）通過實驗專題講座，拓寬學生思維，規(guī)范實驗設計程序。

（4）開展課外活動，讓學生自己動手進行課外小實驗的活動，讓每個學生都自己設計一些課外小實驗，并親自動手。

4.學生受力分析處理探究

學生在解決力學問題時，往往采用隔離法或整體法。整體法是從局部到全局的思維過程，是系統(tǒng)論中的整體原理在力學中的應用。通常在分析這一整體對象之外的物體對整體的作用力（外力），不考慮整體內(nèi)部之間的相互作用力（內(nèi)力）時，用整體法。隔離法就是把要分析的物體從相關(guān)的物體體系中隔離出來，作為研究對象，只分析該研究對象以外的物體對該對象的作用力，不考慮研究對象對其他物體的作用力。在分析系統(tǒng)內(nèi)各物體（或一個物體的各個部分）間的相互作用時用隔離法。

4.1系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)

整體都處于靜止狀態(tài)或一起勻速運動時，或者系統(tǒng)內(nèi)一部分處于靜止狀態(tài)，另一部分勻速運動。以上這些情況，整體都平衡，整體內(nèi)每個物體所受合力為零，整體所受合力也為零。這樣，根據(jù)整體的平衡條件，就可以確定整體或某一個物體的受力特點。

例1：在粗糙水平面上有一個三角形木塊abc，在它的兩個粗糙斜面上分別放兩個質(zhì)量m1和m2和木塊，m1>m2，如圖所示，已知三角形木塊和兩物體都是靜止的，則粗糙水平面對三角形木塊（ ）。A.有摩擦力的作用，摩擦力的方向水平向右；B.有摩擦力的作用，摩擦力的方向水平向左；C.有摩擦力的作用，但摩擦力的方向不能確定，因為m1，m2，θ1，θ2的數(shù)值并未給出；D.以上說法都不對。解析：這樣類型的問題優(yōu)先選用整體法，根據(jù)整體受力平衡，則很容易判斷水平面對三角形木塊摩擦力為零，且彈力等于整體的重力之和，所以D正確。

例2：質(zhì)量m=5Kg的物體置于質(zhì)量為M=20Kg的粗糙斜面上，斜面的傾角α=370.用一平行于斜面向上、大小為40N的力F推物體，使物體沿斜面M向上作勻速運動，這時M保持靜止狀態(tài)（g=10m/s）。則地面對斜面的摩擦力大小為 N，斜面對地的壓力大小為 N.

解析：這種類型通常習慣利用隔離法分析，先分析物塊，在對斜面體進行分析，過程比較復雜。如果利用整體法會比較簡單，因為整體都處于平衡狀態(tài)，所以合力為零。根據(jù)整體水平方向平衡，可以得到地面對斜面體的摩擦力f=Fcosα=32（N），根據(jù)整體豎直方向平衡，得到地面對斜面的支持力N=（M+m）g-Fsinα=226（N）。

4.2系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)且無相對運動

由于系統(tǒng)內(nèi)物體間沒有相對運動，即整體內(nèi)每個物體都具有相同的速度和加速度，這時整體所受的合力提供整體運動的加速度。這種情況利用整體法，更容易把握整體的受力情況和整體的運動特點。

例3：光滑水平面上，放一傾角為θ的光滑斜木塊，質(zhì)量為m的光滑物體放在斜面上，如圖所示，現(xiàn)對斜面施加力F，若使M與m保持相對靜止，F(xiàn)應為多大？

解析：由于斜面光滑，物塊只受重力和斜面的彈力，而且和斜面一起運動，則先隔離物塊分析受力，計算出加速度a=gtan，方向水平向左，再根據(jù)整體法可以求得F=（M+m）gtan.

這是典型整體法與隔離法的綜合應用（先隔離后整體）。

4.3系統(tǒng)內(nèi)部分平衡部分不平衡

這種情況由于系統(tǒng)內(nèi)物體的運動狀態(tài)不同，物體間有相對運動，通常習慣用隔離法。若系統(tǒng)內(nèi)兩個物體一個處于平衡，另一個處于不平衡狀態(tài)時，也可以利用整體法來分析，有時會使問題簡化易于理解。

例4：若例3中使M靜止不動，F(xiàn)應為多大？

解析：這就是非常典型的系統(tǒng)內(nèi)部分平衡部分不平衡的問題，物塊在光滑的斜面上沿斜面加速下滑，處于不平衡狀態(tài)，而斜面體在光滑的水平面上由于外力F作用而保持靜止不動，及平衡狀態(tài)。這種類型許多學生都習慣用隔離法分別對物塊分析，從而計算出物塊和斜面之間的彈力，然后再分析斜面，根據(jù)斜面的平衡來確定外力F的大小。

這種類型如果利用整體法來分析要簡單得多，這里整體所受的合力就等于處于不平衡的物塊所受的合力。當然，這里首先要根據(jù)物塊受力明確物塊的加速度，方向沿斜面向下。

整體受力為：重力（M+m）g、地面的支持力N和外力F

用正交分解法，將加速度分解為水平方向ax=acos=gsincos；豎直方向ay=asin=gsin2，

再根據(jù)牛頓第二定律得到：F=max=mgsincos=mgsin2，（M+m）g-N=may=mgsin2

這種方法很顯然要比分別隔離來計算要簡單方便。

綜上所述，在分析多個物體相互作用時，靈活運用整體法和隔離法對問題解決將會帶來很大的方便。特別是在教學過程中有意識地培養(yǎng)學生整體法的思維意識，幫助學生能夠更加全面地理解力和運動的相互關(guān)系，更加有利于學生思維能力的提升。

基金項目：2015年河南省職業(yè)教育教學改革立項項目“河南職業(yè)院校教師育人能力提升問題研究”（立項號：ZJB15126）階段性成果。主持人：王鳳珍

[ 參 考 文 獻 ]

[1]梁昆淼.力學，上冊（修訂版）.高等教學出版社，1978，12修訂第2版，64.

[2]漆安慎杜嬋英.力學，高等教育出版社.1997，7，1版，222.

[3]中國大百科全書，物理學，Ⅱ.中國大百科全書出版社，1987，7，1版，1236.

[4][英]伊薩克·牛頓.自然哲學之數(shù)學原理.陜西人民出版社.2001，1，1版，18.

[5]馬英卓：用慣性力學三定律解力學習題?！懂敶锢硎澜纭锢碚撐募肪W(wǎng)站.