反思力學中兩個重要實驗的關(guān)鍵點

竺江鋒

摘 要：本文從高中物理（人教版）提供的兩個重要力學實驗參考案例出發(fā)，對其操作中的關(guān)鍵點通過反問和反思，進行實驗設(shè)計思路的拓展和完善，并對課本教材的相應(yīng)設(shè)計意圖，從三個方面提出了想法，進行了分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：力學；實驗；牛頓第二定律；功與速度變化

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0061-3

人民教育出版社出版的普通高中課程標準實驗教科書《物理》必修一，第四章《牛頓運動定律》中有一個實驗：探究牛頓第二定律（圖1為課本中提供的參考案例二），必修二第七章《機械能守恒定律》中有一個實驗：探究功與速度變化的關(guān)系（圖2為課本中提供的參考案例一）[1]。

這兩個實驗對應(yīng)的上述參考案例有一個共同點：小車受到的細繩拉力為小車受到的合力，同時細繩拉力與懸掛物的重力大小相等，即小車受到的合力與懸掛物的重力大小相等。當然，要得到這個結(jié)果，必須有兩個注意點：（1）小車質(zhì)量遠大于懸掛物的質(zhì)量；（2）木板傾斜，撤去懸掛物，讓小車拖著穿過計時器限位孔的紙帶在木板上能勻速運動，即平衡摩擦阻力[2]。

對于兩個實驗的注意點及操作要求，筆者有一些思考，與同行探討。

設(shè)小車質(zhì)量為M，懸掛物質(zhì)量為m。

M >> m的目的是什么？對小車和懸掛物分別列牛頓第二定律公式：F=Ma，mg-F=ma，聯(lián)立得F=mg/1+m/M≈mg，即目的是細繩拉力與懸掛物的重力大小相等。

平衡摩擦阻力的目的是什么？如圖3，將小車和紙帶作為一個整體進行受力分析，該整體受到4個力，其中重力沿斜面向下的分力大小與摩擦阻力f效果抵消，重力垂直斜面向下的分力與支持力N效果抵消，故F（細繩拉力，或懸掛物的重力）大小即為小車的合力大小。

滿足以上兩個注意點，在實驗中，改變懸掛物的質(zhì)量，也就改變了小車的合力大?。换虮３謶覓煳镔|(zhì)量不變，也就保持了小車的合力大小不變。

1 探究牛頓第二定律實驗

1.1 必須M>>m嗎？

探究牛頓第二定律，應(yīng)用“控制變量法”進行探究：先保持小車質(zhì)量M不變，研究a與F的關(guān)系；再保持F不變，研究a與M的關(guān)系。對于前者，學生需要知道a與F的數(shù)值關(guān)系，故F≈mg，必須滿足M >> m；對于后者，有學生提出疑問：保持F不變，只要保持懸掛物的重力mg不變即可，不需要知道其數(shù)值，只需要測得a和M的數(shù)據(jù)即可，故不需要滿足M >> m。

真的不需要滿足M >> m嗎？

由F=mg/1+m/M得，F(xiàn)的大小與m和M有關(guān)，當m不變時，如果不滿足M >> m，則F≠mg，F(xiàn)隨著M的變化而變化，故“保持F不變”就不成立了，導致實驗失敗。如果學生不明確此理由而繼續(xù)操作實驗，則會得到錯誤的結(jié)果。

1.2 不滿足M >> m，能否完成實驗？

設(shè)想一：借助力傳感器

保持小車質(zhì)量M不變，研究a與F的關(guān)系，借助力傳感器，即可得到細繩拉力大小，不再需要利用M >> m來得到F≈mg，只需要改變懸掛物的質(zhì)量來改變并得到F大小，如圖4。

保持F不變，研究a與M的關(guān)系，無論是否借助力傳感器，必須滿足M >> m來保持F大小不變。

設(shè)想二：整體研究

細心的學生已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，課本中的參考案例是以小車為研究對象進行實驗探究。實際上可以再深入思考，顯然，該實驗也可以通過整體（小車+懸掛物+紙帶）研究，此時整體合力為mg，完成實驗操作，即保持整體質(zhì)量M+m不變，研究a與mg的關(guān)系；保持mg不變，研究a與M+m的關(guān)系，則不需要滿足M >> m。

由F=Ma，mg-F=ma得mg=（m+M）a。

2 探究功與速度變化的關(guān)系實驗

在實驗操作中，按照課本提供的要求，老師再三強調(diào)兩個注意點：（1）必須滿足M >> m；（2）必須平衡摩擦阻力。如果深思，真的需要一定嗎？

2.1 不滿足M >> m，可行

在探究功與速度變化的實驗中，學生需要測量的是繩子做的功（數(shù)值或表達式均可以），只要繩子拉力不變就行，功的表達式為W=Fx。因此，在不改變M 和m的質(zhì)量前提下，小車在運動過程中，繩子拉力就是恒力，沒必要一定滿足M >> m來得到F=mg。（注：滿足M >> m時，所求功為具體數(shù)值；不考慮M >> m時，所求功為字母表達式。）

2.2 不平衡摩擦阻力，可行

若不平衡摩擦阻力，學生需要得到小車合外力做功的表達式。在得到了繩子做功的表達式后，還需要知道摩擦阻力做功的表達式。在不改變M 和m質(zhì)量的前提下，小車運動過程中受到的摩擦阻力就是一個恒力，即表達式為W'=fx。因此，小車合外力做功W■=W+W'=（F-f）x，故不平衡摩擦力，可行。

3 教材為何如此設(shè)計實驗？

既然存在各種實驗設(shè)計方法，為何教材中要如此設(shè)計實驗思路？課本雖然分別提供了兩個參考案例，但均沒有上述筆者提供的一些思路，作為新課程改革的教學一線，提供開放性實驗設(shè)計和操作，不是更好嗎？筆者思考了一些原因，望能拋磚引玉。

3.1 學生知識與技能的限制

高一學生學習物理知識，較多涉及到了運動、力和功能關(guān)系，對物理過程和方法，實驗設(shè)計思維和思想，只是課本中的幾個探究性實驗可供練習操作，所做實驗均為“木板+計時器”類。教材的安排，課時的影響，無法提供更多的實踐，學生不能很好地理解和把握如何設(shè)計實驗，視野擴不大，思路放不開，不可能有如此活躍和深入的思考。

3.2 實驗過程與方法的體會[3]

參看課本中的學生實驗，都提供了實驗的模本，需要的是教師的講解和示范，學生的理解和模仿。高中物理教學指導意見指出了對實驗的教學要求，明確指明課本中的學生實驗，故創(chuàng)新也是在原有實驗?zāi)Ｐ突A(chǔ)上的些許創(chuàng)新，學考、選考中不可能會出現(xiàn)“新面孔”實驗。

筆者認為，課本提供的學生實驗，更多的是使學生對所學知識的思考與應(yīng)用（下轉(zhuǎn)第64頁）（上接第62頁）有一個鞏固和練習，對實驗的過程與方法有一個體會和理解，對操作的模仿和要求有一個模板和示范，為以后的類似實驗的設(shè)計提供一個“源實驗”。

3.3 實驗設(shè)計和計算的簡潔

在高中物理教學指導意見中，實驗要求以“了解”“知道”“體會”“體驗”等為主，而且以高一學生現(xiàn)有的知識水平和能力，無法具備開放性思路的拓展，就要求學生參與的實驗操作盡可能地簡潔明了，融合基礎(chǔ)的實驗設(shè)計思想和基本的實驗操作步驟，掌握課本“探究性實驗”中幾個關(guān)鍵點在誤差允許范圍內(nèi)的合理化處理[4]。

實驗數(shù)據(jù)處理，學生必須具備一定的數(shù)學運算和相應(yīng)的方式方法的變換能力，故數(shù)學很重要。但高中物理實驗強調(diào)的重點是物理思維和方法，對數(shù)學能力的體現(xiàn)并沒有較高的要求，對數(shù)據(jù)進行適當處理后，代入公式求解即可。由此把實驗設(shè)計簡潔化，使計算過程明了化，這才是高中物理實驗的主流。

參考文獻：

[1]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.物理1[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2]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.物理2[M].北京：人民教育出版社，2012.

[3]浙江省基礎(chǔ)教育課程改革專業(yè)指導委員會.浙江省普通高中物理學科教學指導意見（2014）[M].杭州：浙江教育出版社，2014.

[4]浙江省普通高中新課程實驗工作專業(yè)指導委員會.浙江省普通高中新課程實驗物理學科教學指導意見[M].杭州：浙江教育出版社，2007.