馬 輝

（江蘇省豐縣中學(xué) 江蘇 徐州 221700）

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)既是物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是學(xué)習(xí)物理的重要部分.實(shí)驗(yàn)既是落實(shí)物理課程目標(biāo)，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，也是物理課程改革的重要資源，更是實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變的重要載體.目前，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)已成為高考物理實(shí)驗(yàn)的新熱點(diǎn)，它要求學(xué)生將已掌握的物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能創(chuàng)造性地應(yīng)用到新的實(shí)驗(yàn)情境中，由題設(shè)條件自行選定實(shí)驗(yàn)原理，確定實(shí)驗(yàn)方案，選擇合適的器材去研究物理現(xiàn)象，探究物理規(guī)律，或測(cè)定物理量的值.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是對(duì)學(xué)生綜合處理實(shí)際問題和創(chuàng)造性思維能力的檢驗(yàn).本文針對(duì)“測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)”這一實(shí)驗(yàn)的近兩年的有關(guān)高考題進(jìn)行歸納說明，從而悟出高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)律.

1 平衡類測(cè)法

方案1：圖1表示用同一套器材測(cè)量鐵塊P與長金屬板間的動(dòng)摩擦因數(shù)的兩種不同方法.已知鐵塊P所受的重力大小為5N.圖1（a）使金屬板靜止在水平桌面上，用手通過彈簧測(cè)力計(jì)向右用力F拉P，使P向右運(yùn)動(dòng)；圖1（b）把彈簧測(cè)力計(jì)的一端固定在墻上，用力F水平向左拉金屬板，使金屬板向左運(yùn)動(dòng).

兩種方法比較，你認(rèn)為哪種方法可行？_____.你判斷的理由是______.

圖中已把兩種方法中彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)（單位：N）情況放大畫出，則鐵塊P與金屬板Q間的動(dòng)摩擦因數(shù)的大小是______.

圖1

解析：以鐵塊P為研究對(duì)象，顯然，在圖1（a）所示方法下，彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)鐵塊P的拉力只有在鐵塊勻速前進(jìn)時(shí)才等于滑動(dòng)摩擦力的大小，但操作上很難保證鐵塊P勻速前進(jìn).而在圖1（b）所示方法下，不論金屬板如何運(yùn)動(dòng)，鐵塊P總是處于平衡狀態(tài)（靜止），彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)等于鐵塊所受摩擦力的大小，故圖1（b）所示方法切實(shí)可行，由圖可知鐵塊所受摩擦力為Ff＝2.4N.由于鐵塊在水平方向運(yùn)動(dòng)，其在豎直方向受力平衡.其正壓力在數(shù)值上等于鐵塊所受的重力大小，即

代入數(shù)據(jù)得

說明：本方案來源于現(xiàn)行教材內(nèi)習(xí)題中測(cè)定物體與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)的方法，此例將習(xí)題轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)方案是可貴之處.

方案2：將細(xì)線的一端系在木板上，另一端系在測(cè)力計(jì)上，在靜止時(shí)測(cè)出木塊重為G，將木塊放在斜面上，用測(cè)力計(jì)沿平行于斜面方向向上勻速拉動(dòng)木塊，記下測(cè)力計(jì)讀數(shù)F1，接著用測(cè)力計(jì)向下勻速拉動(dòng)木塊，記下測(cè)力計(jì)讀數(shù)F2.求木塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù).

解析：設(shè)斜面傾角為θ，有

說明：本方案把現(xiàn)行教材中的習(xí)題，在水平面上測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù)的方法創(chuàng)造性地遷移到斜面上，并成功地運(yùn)用了逆向思維，沿斜面向上、向下拉，從而解決問題.

2 牛頓定律類測(cè)法

方案1：（2011年高考重慶卷）某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖2所示的裝置，利用米尺、秒表、輕繩、輕滑輪、軌道、滑塊、托盤和砝碼等器材來測(cè)定滑塊和軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ.滑塊和托盤上分別放有若干砝碼，滑塊質(zhì)量為M，滑塊上砝碼總質(zhì)量為m′，托盤和盤中砝碼的總質(zhì)量為m.實(shí)驗(yàn)中，滑塊在水平軌道上從A到B做初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取10m／s2.

（1）為測(cè)量滑塊的加速度a，須測(cè)出它在A，B間運(yùn)動(dòng)的______與______，計(jì)算a的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式是______；

（2）根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律得到a與m的關(guān)系為

圖2

他想通過多次改變m，測(cè)出相應(yīng)的a值，并利用上式來計(jì)算μ.若要求a是m的一次函數(shù)，必須使上式中的______保持不變，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)將從托盤中取出的砝碼置于______；

（3）實(shí)驗(yàn)得到a與m的關(guān)系如圖3所示，由此可知μ＝______（取兩位有效數(shù)字）.

圖3

解析：（1）滑塊在水平軌道上從A到B做初速為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)s＝at2，得a＝，所以需要測(cè)量的是位移和時(shí)間.

（2）根據(jù)整體法有

在2012年高考山東試卷中，就將此方案改為：當(dāng)重物落地后測(cè)物塊減速運(yùn)動(dòng)的加速度，用μ＝來計(jì)算物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，則計(jì)算結(jié)果比動(dòng)摩擦因數(shù)的真實(shí)值偏大.

方案2：一打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在斜面上某處，一小車拖著穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶從斜面上滑下（圖4），圖5是打出紙帶的一段，其中g(shù)為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?

圖4

圖5

（1）已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電頻率為50 Hz，利用圖5給出的數(shù)據(jù)可求出小車下滑的加速度a＝______.

（2）為了求出小車在下滑過程中所受的阻力，還需測(cè)量的物理量有______.用測(cè)得的量及加速度a表示動(dòng)摩擦因數(shù)的計(jì)算公式為μ＝______.

解析：從紙帶可以很方便地計(jì)算出

由牛頓第二定律可以寫出加速度的表達(dá)式

可見，還需要知道斜面傾角的正弦和余弦值.可利用直尺測(cè)出斜面上任意兩點(diǎn)間的距離l及這兩點(diǎn)的豎直高度h，有

化簡得

說明：本方案也可不用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，而用秒表（或光電門）測(cè)出下滑時(shí)間t，用米尺測(cè)出斜邊長s，及斜面高h(yuǎn).有

方案3：（2011年高考山東卷）某探究小組設(shè)計(jì)了“用一把尺子測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)”的實(shí)驗(yàn)方案.如圖6所示，將一個(gè)小球和一個(gè)滑塊用細(xì)繩連接，跨在斜面上端.開始時(shí)小球和滑塊均靜止，剪斷細(xì)繩后，小球自由下落，滑塊沿斜面下滑，可先后聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音.保持小球和滑塊釋放的位置不變，調(diào)整擋板位置，重復(fù)以上操作，直到能同時(shí)聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音，用刻度尺測(cè)出小球下落的高度H，滑塊釋放點(diǎn)與擋板處得高度差h和沿斜面運(yùn)動(dòng)的位移x.（空氣阻力對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響可以忽略）

（1）滑塊沿斜面運(yùn)動(dòng)的加速度與重力加速度的比值為______.

（2）滑塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為______.

（3）以下能引起實(shí)驗(yàn)誤差的是______.

a.滑塊的質(zhì)量

b.當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮?/p>

c.長度測(cè)量時(shí)的讀數(shù)誤差

d.小球落地和滑塊撞擊擋板不同時(shí)

圖6

解析：滑塊沿斜面勻加速運(yùn)動(dòng)

小球自由落體

因時(shí)間相同，所以

滑塊受重力和滑動(dòng)摩擦力作用，由牛頓第二定律

質(zhì)量和當(dāng)?shù)刂亓铀俣榷急患s掉，不會(huì)引起誤差.

說明：此方案巧妙之處在于不用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或秒表而用一把尺子測(cè)μ，從而避免測(cè)時(shí)間誤差，借助滑塊與自由落體物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，達(dá)到目的.

3 功能關(guān)系類測(cè)法

方案1：用同種材料的木板構(gòu)建如圖7所示的斜面AB，平面BD，兩面在B點(diǎn)接觸良好且為弧形.讓木塊從A點(diǎn)由靜止滑下，最后滑到C點(diǎn)而靜止，用刻度尺量得斜面AB的長L1，高H，BC長L2.求物塊與接觸面材料之間的動(dòng)摩擦因數(shù).

圖7

解析：由功能關(guān)系

說明：本方案的設(shè)計(jì)立足于能量觀點(diǎn)，并把平面和斜面有機(jī)、巧妙地結(jié)合在一起，不僅問題情境新，而且起點(diǎn)高，是一個(gè)極有創(chuàng)意的方案，同時(shí)，也可只測(cè)斜面高H和AC間水平距離s，則

方案2：為測(cè)定木塊與桌面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，小亮設(shè)計(jì)了如圖8（a）所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)木塊A位于水平桌面上的O點(diǎn)時(shí)，重物B剛好接觸地面.將A拉到P點(diǎn)，待B穩(wěn)定后靜止釋放，A最終滑到Q點(diǎn).分別測(cè)量OP，OQ的長度h和s.改變h，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，分別記錄幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

（1）實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，發(fā)現(xiàn)A釋放后會(huì)撞到滑輪，請(qǐng)?zhí)岢鰞蓚€(gè)解決方法.

（2）請(qǐng)根據(jù)圖1（b）表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖1（c）作出s-h關(guān)系的圖像.

（3）實(shí)驗(yàn)測(cè)得A，B的質(zhì)量分別為m＝0.4kg，M＝0.5kg.根據(jù)s-h圖像可計(jì)算出A木塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)＝______（結(jié)果保留一位有效數(shù)字）.

（4）實(shí)驗(yàn)中，滑輪軸的摩擦?xí)?dǎo)致μ的測(cè)量結(jié)果______（選填“偏大”或“偏小”）.

圖8

圖9

解析：（1）木塊A撞到滑輪是因?yàn)槟緣KA運(yùn)動(dòng)到滑輪位置時(shí)速度不為零，若A不能撞到滑輪應(yīng)減小繩子的拉力，即減小B的質(zhì)量；或增加細(xì)繩的長度使木塊A的初始位置遠(yuǎn)離滑輪；（2）利用描點(diǎn)作圖法畫出s-h的圖像（圖9）；（3）在M下落h的過程中，對(duì)系統(tǒng)利用動(dòng)能定理得

M落地后以木塊A為研究對(duì)象，有

（4）由于滑輪軸的摩擦，所以（3）中表示出的摩擦力μmg實(shí)際含有滑輪軸的摩擦力，即

所以，滑輪軸的摩擦力導(dǎo)致μ的測(cè)量結(jié)果偏大.

說明：本方案的設(shè)計(jì)立足于運(yùn)用動(dòng)能定理，并把不同研究對(duì)象的運(yùn)用有機(jī)巧妙地結(jié)合在一起，不僅問題情境新，而且起點(diǎn)高，是一個(gè)極有創(chuàng)意的方案.同時(shí)考查利用圖像處理數(shù)據(jù)，意在考查考生的實(shí)驗(yàn)探究能力.

可見，將學(xué)生實(shí)驗(yàn)的原理和方法進(jìn)行遷移的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、創(chuàng)新意識(shí)意義重大.因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新、完善、拓展，注重實(shí)驗(yàn)過程教學(xué)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的探索性、綜合性，使之更貼近對(duì)實(shí)際問題的解決，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)不失時(shí)機(jī)地從多角度進(jìn)行設(shè)問，最大限度地啟發(fā)學(xué)生的思維和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力.

總之，通過對(duì)最近幾年物理實(shí)驗(yàn)試題的分析，單靠記憶知識(shí)和套用模型解題已不可能在高考中取得好成績.在實(shí)驗(yàn)題中考查學(xué)生的遷移能力和創(chuàng)新思維能力仍是今后命題的方向，教師要避免單純的師講生學(xué)的教學(xué)方式，把實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正變?yōu)閷W(xué)生探究知識(shí)、訓(xùn)練能力的平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生通過各種形式的學(xué)習(xí)過程去形成自己的深刻體驗(yàn)，在過程中感悟，從而構(gòu)建對(duì)事物的個(gè)人看法，形成“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以思維為中心，以過程為主線，以變式為手段”的探究新方式.