劉鵬程

摘 要：高中物理驗(yàn)證性及探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)盡最大努力設(shè)計(jì)“可行性”方案，并索取待測(cè)數(shù)據(jù)，要求實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)易測(cè)且較

準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：高中物理 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 策略

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（c）-0-01

該文以“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和“探究動(dòng)能定理”為例，闡述知識(shí)遷移在高中物理學(xué)習(xí)中的妙處。

1 驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

待驗(yàn)證的關(guān)系式是：F=m a 。

首先：分析各物理量的可行性測(cè)量手段。

（1）F是物體的合外力，怎樣測(cè)呢？方法為：

①讓物體的自身重力充當(dāng)合外力（即物體做自由落體運(yùn)動(dòng)），只要測(cè)出質(zhì)量即可。

②用彈簧秤拉著物體在光滑的水平面上運(yùn)動(dòng)（實(shí)際上光滑水平面不存在），彈簧秤拉著物體運(yùn)動(dòng)時(shí)讀數(shù)不方便且不準(zhǔn)確，此方案易想到但不可行。

③斜面上的物體下滑時(shí)，合外力是：當(dāng)斜面光滑時(shí)，物體外力是mgsinθ。光滑的斜面實(shí)際上不存在，故此方案不可行；斜面不光滑時(shí)，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需測(cè)質(zhì)量m，角度θ和動(dòng)摩擦因數(shù)μ。此方案易被學(xué)生接受，實(shí)驗(yàn)器材常見(jiàn)，但是操作過(guò)程較復(fù)雜。

④為簡(jiǎn)化過(guò)程可將上邊的摩擦力“平衡掉”：將斜面抬高，讓物體恰好勻速下滑；當(dāng)用細(xì)線將此物體m2與另一物體m1通過(guò)定滑輪連接，另一物體m1的重力近似代替此物體m2的合外力（必須控制條件：m1<

（2）a是物體的加速度。怎樣測(cè)得呢？高中階段能得到物體的加速度，低成本可行的簡(jiǎn)便方法是用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。

（3）m是質(zhì)量，用天平就能測(cè)量。

其次：設(shè)計(jì)組合可行性的實(shí)驗(yàn)方案。

方案一：物體重力充當(dāng)合外力，結(jié)合打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。

驗(yàn)證表達(dá)式是：mg=ma；其中a=。紙帶上點(diǎn)的速度求解：v =。此時(shí)質(zhì)量m不需測(cè)。

方案二：斜面上的連有紙帶的物體自由下滑，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)和記錄位移。需驗(yàn)證的表達(dá)式：mgsinθ-μmgcosθ=m a；

μ的得出途徑：（1）查閱相關(guān)書籍直接借用數(shù)據(jù)。（2）測(cè)量得出：調(diào)整斜面傾角，讓物體恰好能勻速下滑，則μ=tanθ。此時(shí)不需測(cè)量質(zhì)量。

方案三：解決方案二的過(guò)程量繁瑣問(wèn)題—平衡摩擦力，用重物重力代替線的拉力。驗(yàn)證的表達(dá)式：m1g=m2a，此時(shí)需要兩次測(cè)量質(zhì)量。

方案四：改裝方案二，三中的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器為“光電門”，解決測(cè)速度的問(wèn)題！

方案五：實(shí)驗(yàn)條件允許，可選用“氣墊導(dǎo)軌+光電門”組合懸掛重物來(lái)實(shí)驗(yàn)，以減小摩擦影響。

綜合來(lái)看，高中實(shí)驗(yàn)室常用的可行性的測(cè)量“v”“t”手段是：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，光電門！

2 探究動(dòng)能定理

此實(shí)驗(yàn)的目的是想探究等式FS =是否成立。如何驗(yàn)證？就是設(shè)法將各物理量測(cè)出來(lái)。

首先分析各物理量可行性的測(cè)量手段：

（1）F是物體的合外力，怎樣操作可行呢？方案同上。整合后得出可行性方案為：

①用物體的重力充當(dāng)合外力（物體做自由落體運(yùn)動(dòng)）

②物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程在斜面上，物體下滑時(shí)，合外力是：當(dāng)斜面光滑時(shí)，物體外力是mgsinθ；不光滑時(shí)，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需測(cè)質(zhì)量m及角度θ和動(dòng)摩擦因數(shù)μ（斜面上的物體勻速下滑時(shí)，μ = tanθ）。

③為簡(jiǎn)化操作過(guò)程，可以將上邊的摩擦力平衡掉（將斜面抬高，讓物體恰好勻速下滑），當(dāng)用細(xì)線將此物體m1與另一物體m2通過(guò)定滑輪連接，另一物體m2的近似代替此物體m1的合外力（必須控制條件：m2 << m1）。

④用橡皮筋提供拉力。只需控制橡皮筋的伸長(zhǎng)量，不必考慮力的實(shí)際大小。驗(yàn)證的方法得是比值法。

⑤讓物體在粗糙的水平面上做減速運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)=μmg。μ可測(cè)，如將物體放在同種材料的斜面上調(diào)試，勻速下滑時(shí)，μ=tanθ。但是此時(shí)的初速度v0必須提前可測(cè)。

（2）S是物體的位移?？梢杂每潭瘸邔⑺鼫y(cè)出。若不用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，事先得有所記錄物體的初末位置。

（3）m是物體質(zhì)量，用天平可測(cè)。并不是每一種方案都必須測(cè)物體的質(zhì)量。如物體自身重力代替它所受的合外力時(shí)，驗(yàn)證性等式中的m已經(jīng)約掉了。

（4）V0與V 是物體的初速度與末速度。它又怎么得出呢？高中階段能得到物體的運(yùn)動(dòng)速度的方法，不外乎是：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下紙帶；光電門測(cè)速度；平拋運(yùn)動(dòng)可測(cè)出物體的初速度。

其次：針對(duì)上邊外力的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合速度的可行性方案，簡(jiǎn)要介紹整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程。

方案一：物體重力提供合外力，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度。

將紙帶連上重物穿過(guò)限位孔后，先開(kāi)電源，待穩(wěn)定后釋放紙帶。忽略摩擦后，驗(yàn)證的等式是：mg S=。質(zhì)量不需測(cè)。S是紙帶上兩點(diǎn)間距。速度通過(guò)紙帶可求出。

方案二：斜面上物體僅受到繩子的拉力作用，拉力近似等于所吊重物的重力。

此方案首先需要平衡摩擦力，是否平衡到位，就用紙帶上的點(diǎn)間距來(lái)量度。在掛上重物，通電后釋放重物。待驗(yàn)證的等式是：m1 g S=，質(zhì)量是必須測(cè)量的量。S是紙帶上兩點(diǎn)間距，v和v0是兩點(diǎn)的速度。

方案三：如果不平衡摩擦力，則只需將斜面上的重物連上紙帶由靜止待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后釋放，需要驗(yàn)證的等式：（mgsinθ-μmgcosθ）S =，其中μ=g tanθ。等式就簡(jiǎn)化成了mgsinθ（1-g）S= 。質(zhì)量是不需測(cè)量的，斜面傾角θ需測(cè)量。

方案四：斜面上的物體平衡摩擦力后，分別用一根兩根橡皮筋連上物體，每次讓橡皮筋伸長(zhǎng)量都一樣，由靜止待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后釋放，用比值法處理得：，這里只需求出紙帶上的對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的速度即可。

方案五：先將物體放在木板上，調(diào)節(jié)木板傾斜程度，讓物體勻速下滑，得到μ=tanθ；再將物體由平拋斜槽軌道釋放，利用測(cè)出豎直與水平位移，用平拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)求出平拋初速度v0；最后將木板對(duì)接到斜槽軌道末端水平放置，在同樣的位置釋放物體，待物體停下記錄下位置，需要驗(yàn)證的等式：—μmgS=0-，不需測(cè)質(zhì)量。

上述兩實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案中，是有很多相似的地方。知識(shí)的遷移在此處解決問(wèn)題時(shí)，能更大程度的激發(fā)學(xué)生的興趣，潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立思考與解決問(wèn)題的能力。