“測(cè)量紙錐下落的速度”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

江蘇省無錫市鳳翔實(shí)驗(yàn)學(xué)校(214000) 胡玉蓮

“測(cè)量紙錐下落的速度”是蘇科版初中物理教材八年級(jí)上冊(cè)第5章第2節(jié)的內(nèi)容，它是初中生接觸到的第一個(gè)完整的測(cè)量和計(jì)算類實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵鹤寣W(xué)生了解測(cè)量速度的基本方法，會(huì)用刻度尺和秒表測(cè)量做直線運(yùn)動(dòng)物體的速度；進(jìn)一步認(rèn)識(shí)多次測(cè)量求平均值的方法可以減少誤差[1]。教材對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的描述僅三句話：①要測(cè)量紙錐下落的速度，你認(rèn)為需要測(cè)量哪些物理量？②你選用的實(shí)驗(yàn)器材？③請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，然后測(cè)量并計(jì)算紙錐下落的速度[2]。這就從實(shí)驗(yàn)器材選取和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)等方面給教師留了很大的空間。

1 實(shí)驗(yàn)存在的問題

筆者在線下和線上聽了很多節(jié)有關(guān)該實(shí)驗(yàn)的課，老師們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幾乎都是：A同學(xué)拿著紙錐將紙錐從某一高度釋放并發(fā)出信號(hào)；B同學(xué)用米尺測(cè)量高度；C同學(xué)聽到信號(hào)開始計(jì)時(shí)，看到紙錐落地停止計(jì)時(shí)。這樣的實(shí)驗(yàn)存在的問題頗多。

1.1 時(shí)間測(cè)量

上述實(shí)驗(yàn)時(shí)間測(cè)量誤差較大，主要是由以下幾個(gè)原因造成的。一方面，由于紙錐下落的高度較低，加上普通材質(zhì)紙做成的紙錐質(zhì)量太大，下落速度太快，導(dǎo)致紙錐下落時(shí)間太短；另一方面A同學(xué)釋放紙錐的同時(shí)發(fā)出計(jì)時(shí)信號(hào)，C同學(xué)聽到信號(hào)后才按下秒表開始計(jì)時(shí)，中間有一段人的反應(yīng)時(shí)間[3]。也就是開始計(jì)時(shí)無法與紙錐開始下落瞬間同步，導(dǎo)致了時(shí)間測(cè)量的誤差。另外，C同學(xué)站的高度稍高，使停止計(jì)時(shí)無法與紙錐落地瞬間同步，也增加了時(shí)間測(cè)量的偏差。

1.2 高度測(cè)量

由于米尺最多只能測(cè)量1 m的長(zhǎng)度，所以實(shí)驗(yàn)中釋放紙錐的高度選擇都比較低，當(dāng)選擇較高高度時(shí)只能用米尺先測(cè)一段再“騰空”做標(biāo)記再測(cè)一次，這樣增加了高度測(cè)量的困難。另外，本實(shí)驗(yàn)需要選定某一高度再多次測(cè)量時(shí)間，以達(dá)到多次測(cè)量求平均值減少誤差的目的，所以需要將紙錐固定在某一位置，但是學(xué)生用手不太容易固定，這也增加了高度測(cè)量的偏差。

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 器材準(zhǔn)備

為解決以上時(shí)間測(cè)量和高度測(cè)量上存在的問題，筆者設(shè)計(jì)了一種新的“電控裝置”。準(zhǔn)備以下器材：直徑2.5 cm、長(zhǎng)1.3 m的PVC管1根，直徑2 cm、長(zhǎng)1 m、23 cm、15 cm的PVC管各1根，轉(zhuǎn)接頭2個(gè)，定電壓6V、可吸5 kg電磁鐵1個(gè)，3 m長(zhǎng)導(dǎo)線2根，厚透明膠、厚雙面膠，橡皮筋，單刀單擲開關(guān)，電池盒，1號(hào)干電池2節(jié)，鐵架臺(tái)，高級(jí)擦鏡紙，圖釘，實(shí)物如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)器材

2.2 電控裝置和紙錐制作

(1)將直徑2 cm、長(zhǎng)15 cm的PVC管一端打磨光滑，再開一小口，以便電磁鐵導(dǎo)線放入；將電磁鐵的螺帽先固定在電磁鐵中，用厚透明膠粘在電磁鐵金屬片的一面，并與光滑的PVC管緊緊相連；將2根導(dǎo)線與電磁鐵接線端相連，如圖2所示。

圖2 步驟(1)圖示

(2)用轉(zhuǎn)接頭將直徑2 cm、長(zhǎng)23 cm和直徑2 cm、長(zhǎng)15 cm的2根PVC管連接，并將導(dǎo)線放入其中；在直徑2 cm、長(zhǎng)1 m的PVC管上套上厚的橡皮筋，用轉(zhuǎn)接頭將直徑2 cm、長(zhǎng)23 cm和直徑2.5 cm、長(zhǎng)1.3 m的PVC管連接，并將導(dǎo)線放入，再將直徑2 cm、長(zhǎng)1 m管放入直徑2.5 cm、長(zhǎng)1.3 m管中，最后將直徑2.5 cm、長(zhǎng)1.3 m的PVC管固定在鐵架臺(tái)上，如圖3所示。

圖3 步驟(2)圖示

(3)用厚雙面膠將開關(guān)固定在鐵架臺(tái)上，連接好開關(guān)和電源，如圖4所示。

圖4 步驟(3)圖示

用普通材質(zhì)的紙制作的紙錐下落速度太快，且運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條直線。因此，筆者建議選取高級(jí)擦鏡紙來做紙錐，將其制作成半徑8 cm、錐角60°～70°左右的紙錐，這樣的紙錐下落速度更慢、且運(yùn)動(dòng)軌跡近乎直線。由于要做電控裝置，所以需要在紙錐底部固定一鐵片，經(jīng)過筆者大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圖釘是最好的材料，將圖釘尖用老虎鉗掰掉，再用錘子將圖釘砸平，用少量雙面膠將圖釘帽粘在紙錐頂部，如圖5所示。

圖5 紙錐的制作

2.3 器材使用原理及優(yōu)點(diǎn)

本器材主要是利用了電磁鐵“通電有磁性，斷電無磁性”的原理。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將橡皮筋固定到某一位置，即可將電磁鐵固定，進(jìn)而將紙錐固定在較高的高度，所以橡皮筋的作用是調(diào)節(jié)和固定紙錐下落的高度。開關(guān)閉合，電磁鐵通電有磁性，吸引紙錐底部的圖釘從而將紙錐固定在較高的高度。注意：這里為了避免電磁鐵中間的螺絲被磁化，我們選擇2節(jié)1號(hào)干電池即讓電磁鐵實(shí)際電壓為3 V即可。待A同學(xué)用卷尺測(cè)量好高度，B同學(xué)在地上較低位置一手?jǐn)嚅_開關(guān)(紙錐立馬下落)，在斷開開關(guān)的同時(shí)一手開始計(jì)時(shí)，這樣就可以做到計(jì)時(shí)與控制紙錐下落是同一人，且能同步，減少了由于人的反應(yīng)時(shí)間帶來的時(shí)間測(cè)量誤差；又因?yàn)锽同學(xué)可一直在地上較低位置，所以也比較容易做到停止計(jì)時(shí)與紙錐落地同步。再次把開關(guān)閉合，將紙錐固定；斷開開關(guān)，開始計(jì)時(shí)；紙錐落地，停止計(jì)時(shí)，如此重復(fù)多次即可。

本電控裝置操作方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能將紙錐固定在某一較高的高度；能使操作紙錐與計(jì)時(shí)由同一學(xué)生完成，減少由于人的反應(yīng)時(shí)間帶來的誤差；且計(jì)時(shí)員一直在較低的位置，可更清楚更方便看到紙錐落地瞬間，既降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的難度，又提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

3 結(jié)語

目前初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著諸多的難題。由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)比較“難”做，老師和學(xué)生都出現(xiàn)了“畏難”情緒，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)的熱情和興趣不高[4]。由于應(yīng)試教育，老師要“趕進(jìn)度”，學(xué)生要“抓分?jǐn)?shù)”，所以部分老師會(huì)用“講實(shí)驗(yàn)”代替“做實(shí)驗(yàn)”，最終導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力差，缺乏科學(xué)探究，從而在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)這一部分有所缺失。解決這些難題的有效途徑就是對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，幫助學(xué)生降低實(shí)驗(yàn)難度，提高實(shí)驗(yàn)效率，培養(yǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)探究方法，培養(yǎng)科學(xué)思維。