劉鵬程

摘 要：高中物理驗證性及探究性實驗設(shè)計應(yīng)盡最大努力設(shè)計“可行性”方案，并索取待測數(shù)據(jù)，要求實驗設(shè)計方案簡潔，實驗數(shù)據(jù)易測且較

準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：高中物理 實驗設(shè)計 策略

中圖分類號：G4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-0-01

該文以“驗證牛頓運動定律的設(shè)計實驗”和“探究動能定理”為例，闡述知識遷移在高中物理學(xué)習(xí)中的妙處。

1 驗證牛頓運動定律

待驗證的關(guān)系式是：F=m a 。

首先：分析各物理量的可行性測量手段。

（1）F是物體的合外力，怎樣測呢？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動），只要測出質(zhì)量即可。

②用彈簧秤拉著物體在光滑的水平面上運動（實際上光滑水平面不存在），彈簧秤拉著物體運動時讀數(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，合外力是：當(dāng)斜面光滑時，物體外力是mgsinθ。光滑的斜面實際上不存在，故此方案不可行；斜面不光滑時，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需測質(zhì)量m，角度θ和動摩擦因數(shù)μ。此方案易被學(xué)生接受，實驗器材常見，但是操作過程較復(fù)雜。

④為簡化過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)用細線將此物體m2與另一物體m1通過定滑輪連接，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。怎樣測得呢？高中階段能得到物體的加速度，低成本可行的簡便方法是用打點計時器。

（3）m是質(zhì)量，用天平就能測量。

其次：設(shè)計組合可行性的實驗方案。

方案一：物體重力充當(dāng)合外力，結(jié)合打點計時器。

驗證表達式是：mg=ma；其中a=。紙帶上點的速度求解：v =。此時質(zhì)量m不需測。

方案二：斜面上的連有紙帶的物體自由下滑，打點計時器計時和記錄位移。需驗證的表達式：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。此時不需測量質(zhì)量。

方案三：解決方案二的過程量繁瑣問題—平衡摩擦力，用重物重力代替線的拉力。驗證的表達式：m1g=m2a，此時需要兩次測量質(zhì)量。

方案四：改裝方案二，三中的打點計時器為“光電門”，解決測速度的問題！

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

綜合來看，高中實驗室常用的可行性的測量“v”“t”手段是：打點計時器，光電門！

2 探究動能定理

此實驗的目的是想探究等式FS =是否成立。如何驗證？就是設(shè)法將各物理量測出來。

首先分析各物理量可行性的測量手段：

（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（物體做自由落體運動）

②物體的運動過程在斜面上，物體下滑時，合外力是：當(dāng)斜面光滑時，物體外力是mgsinθ；不光滑時，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需測質(zhì)量m及角度θ和動摩擦因數(shù)μ（斜面上的物體勻速下滑時，μ = tanθ）。

③為簡化操作過程，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)用細線將此物體m1與另一物體m2通過定滑輪連接，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量，不必考慮力的實際大小。驗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動，F(xiàn)=μmg。μ可測，如將物體放在同種材料的斜面上調(diào)試，勻速下滑時，μ=tanθ。但是此時的初速度v0必須提前可測。

（2）S是物體的位移?？梢杂每潭瘸邔⑺鼫y出。若不用打點計時器，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。并不是每一種方案都必須測物體的質(zhì)量。如物體自身重力代替它所受的合外力時，驗證性等式中的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動速度的方法，不外乎是：打點計時器打下紙帶；光電門測速度；平拋運動可測出物體的初速度。

其次：針對上邊外力的設(shè)計方案，結(jié)合速度的可行性方案，簡要介紹整個實驗的設(shè)計流程。

方案一：物體重力提供合外力，打點計時器測速度。

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

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，就用紙帶上的點間距來量度。在掛上重物，通電后釋放重物。待驗證的等式是：m1 g S=，質(zhì)量是必須測量的量。S是紙帶上兩點間距，v和v0是兩點的速度。

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計時器工作穩(wěn)定后釋放，需要驗證的等式：（mgsinθ-μmgcosθ）S =，其中μ=g tanθ。等式就簡化成了mgsinθ（1-g）S= 。質(zhì)量是不需測量的，斜面傾角θ需測量。

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，每次讓橡皮筋伸長量都一樣，由靜止待打點計時器工作穩(wěn)定后釋放，用比值法處理得：，這里只需求出紙帶上的對應(yīng)兩點的速度即可。

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，利用測出豎直與水平位移，用平拋運動知識求出平拋初速度v0；最后將木板對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，需要驗證的等式：—μmgS=0-，不需測質(zhì)量。

上述兩實驗的設(shè)計方案中，是有很多相似的地方。知識的遷移在此處解決問題時，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)生的獨立思考與解決問題的能力。