莫 濱

(南京市第十八中學(xué)，江蘇 南京 210022)

1 引 言

影響動(dòng)能大小的因素，在初中教材中是比較難以處理的知識(shí)點(diǎn). 主要表現(xiàn)在探究動(dòng)能與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，如何控制速度相同. 就所能檢索到的各版本教材而言，處理方法不盡相同. 其中某些版本教材設(shè)計(jì)了探究實(shí)驗(yàn)，但是其實(shí)驗(yàn)反而不利于教學(xué)，因此有必要做進(jìn)一步討論.

2 現(xiàn)有教材呈現(xiàn)方式

華東師范大學(xué)版科學(xué)教材、滬教版、教科版物理教材沒有涉及科學(xué)探究的過程，均是通過舉例來闡述，如表1所示. 其余各版本教材均采用控制變量法探究了動(dòng)能與質(zhì)量的關(guān)系，相關(guān)步驟列表對(duì)比如下，如表2所示.

表1 部分版本教材關(guān)于動(dòng)能與質(zhì)量關(guān)系的理論描述

表2 部分版本物理教材探究動(dòng)能與質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)步驟

續(xù)表

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷分析

從表2中可知，大多數(shù)是采用球體從斜面上滾下，撞擊下部平面上木塊. 上述一系列實(shí)驗(yàn)步驟，總體上存在一些值得商榷之處.

3.1 運(yùn)動(dòng)路線大多不可控

大部分教材中的實(shí)驗(yàn)可操作性較差，缺陷頗多：小球滾下時(shí)運(yùn)動(dòng)路線不可預(yù)設(shè)，不能確保正好撞擊木塊，甚至于有可能在斜面部分就已經(jīng)滾離木板. 有學(xué)者為了克服這些缺陷，采用凹槽來限制運(yùn)動(dòng)軌跡[2-3]. 蘇科版教材的方法，采用的是讓小車沿斜面向下作直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)調(diào)試可確保小車正中撞擊木塊. 可以認(rèn)為，蘇科版教材實(shí)驗(yàn)處理比較科學(xué).

3.2 木塊位移大多不可測(cè)

實(shí)驗(yàn)中用小球撞擊木塊后，由于不能保證球撞擊木塊時(shí)產(chǎn)生的力，正好通過木塊的質(zhì)心而只是向前平移，所以木塊可能還會(huì)在水平面上有轉(zhuǎn)動(dòng). 這樣球體撞擊木塊后，木塊偏向斜前方，小球滾向另一邊. 木塊偏離后，移動(dòng)距離無法測(cè)量，實(shí)驗(yàn)失敗. 為此，北師大版教材采用小盒正對(duì)斜面的一面開口，小球可滾入盒內(nèi)，這樣可以避免小球滾向一邊. 這方面，蘇科版教材的方法最好，小車與木塊接觸面較大，基本上可以保證木塊被撞擊后只作平移，便于比較前進(jìn)路程大小.

3.3 下降相同高度難保證

如何控制球體下降高度Δh相同，各版本大多存在問題. 北師大版和粵滬版采用不同質(zhì)量小球，但是沒有說明其體積是否相等. 若相等Δh很好控制，若不相等則問題復(fù)雜了. 體積不同的球體，相同高度如何理解？是質(zhì)心高度h相同？還是質(zhì)心下降高度Δh相同？正確的理解應(yīng)該是質(zhì)心下降高度Δh相同，但是又陷入新的困境：1)質(zhì)心是高中內(nèi)容，初中生無法理解. 2)為了確保Δh相同，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)時(shí)，先放置一個(gè)物體，用于定位不同小球起始位置. 圖1所示是正確方法，水平放置的物體AB承擔(dān)球體重力，球易在物體AB上隨機(jī)滾動(dòng)，這時(shí)球和斜面之間無作用力. 人為控制移走AB，很難保證球體就是從此位置以v0=0開始加速. 實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)通常采用的是圖2所示方法來定位. 球體半徑越小，球的最下部的位置越低，小球下降到斜面底端時(shí)下降高度Δh也越小. 若看作質(zhì)點(diǎn)，則球體就在A點(diǎn)，Δh最小. 這種做法未能成功控制小球處于相同高度.

圖1 定位相同高度的正確方法

圖2 通常定位相同高度的錯(cuò)誤方法

人教版實(shí)驗(yàn)冊(cè)采用的是“體積相同的鐵球、塑料球”. 理論上沒有缺陷，但是實(shí)際上要教師找到符合條件的鐵球、塑料球?qū)崒俨灰?

滬科版教材中，木球、鐵球質(zhì)量要求沒有說明，木球在現(xiàn)實(shí)生活中不好找，找到體積一樣的木球、鐵球更不易，這陷入北師大版和粵滬版同樣的困境.

蘇科版采用的方法最簡(jiǎn)潔可行. 小車上加配重即可改變質(zhì)量，將配重固定即可保證質(zhì)心下降高度Δh相同. 由于小車加了配重，質(zhì)心位置一般會(huì)改變，當(dāng)小車從斜面過渡到平面時(shí)，質(zhì)心再次下降的高度一般不同，需要根據(jù)質(zhì)心位置、斜面傾斜角度等具體數(shù)據(jù)才能分析，一般不再考慮.

依筆者觀點(diǎn)，建議將上述小球、小車改為測(cè)量固體密度常用的圓柱體. 圓柱體組形狀相同，可保證質(zhì)心高度、質(zhì)心下降高度Δh均相同. 圓柱體材料不同，可滿足質(zhì)量不同的要求. 圓柱體運(yùn)動(dòng)路線容易調(diào)整，可避免出現(xiàn)中途偏離的情況，同時(shí)撞擊木塊時(shí)，也比較容易控制木塊的平移.

3.4 相同速度難解釋

有的教師采用口頭再三強(qiáng)調(diào)的方法來灌輸：高度相同目的是保證速度相同. 有的教師采用多媒體視頻拍攝，然后慢鏡頭回放，但是在課堂上當(dāng)堂完成不現(xiàn)實(shí)，事先錄制、編輯又缺乏可信度.

上述諸版本教材的思路均為：從2個(gè)相同的斜面的同一高度同時(shí)釋放2個(gè)質(zhì)量不等的小球，到達(dá)底面的速度相等. 為此筆者進(jìn)行了驗(yàn)證：準(zhǔn)備了2個(gè)不同材料的體積相同的圓柱體，在同一斜面上相同的高度，同時(shí)釋放，有時(shí)可以觀察到圓柱體到達(dá)底部的時(shí)間相差不大，近似認(rèn)為速度相等. 但是還是會(huì)出現(xiàn)時(shí)間相差大、滾偏等失敗情況. 換成不同的斜面，盡管努力去保證材料相同，成功率還是很低. 降低起始高度，到達(dá)底面時(shí)的速度減小，可以提高成功率. 但是推動(dòng)木塊前進(jìn)的距離、兩木塊距離差均減小，教室后排學(xué)生觀察不清楚. 將上述不同的圓柱體改為質(zhì)量不等的小車，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同上.

據(jù)此認(rèn)為，由于實(shí)驗(yàn)的條件所限，無法達(dá)到理想狀況，不能保證實(shí)驗(yàn)一次成功. 為糾正滾偏多次調(diào)試，學(xué)生尚可接受，但為同時(shí)到達(dá)底部而多次嘗試，會(huì)被學(xué)生理解為一種僥幸行為. 歸根到底，此困難還是在于知識(shí)脫節(jié)，脫離了理論支撐.

倘若堅(jiān)持要探究動(dòng)能與質(zhì)量的關(guān)系，筆者可以提供一種簡(jiǎn)便的方法. 將2個(gè)質(zhì)量不同的圓柱體(小車亦可)并排放置在平整的桌面上，用課本的書脊推動(dòng)2個(gè)圓柱體并排前進(jìn)，課本適時(shí)停止推動(dòng)，圓柱體就以相同速度前進(jìn)，撞擊木塊.

3.5 結(jié)論

針對(duì)上述一系列缺陷，依筆者的觀點(diǎn)，還是采用表1所列教材的方法為佳，只告訴學(xué)生結(jié)論，不涉及具體探究過程. 若非要探究，采用小車或者是圓柱體組，可以有效避免上述3.1～3.3所列舉的缺陷. 采用并排推動(dòng)小車、圓柱體組的方法，可避免上述3.4所列舉的缺陷. 至于為何由相同高度可得到相同速度，初中階段實(shí)在是無能為力.

4 結(jié)束語

依筆者觀點(diǎn)，應(yīng)該從源頭抓起，教材應(yīng)該避免錯(cuò)誤，否則教師是不敢擅自改進(jìn)的. 教師只能基于現(xiàn)狀，關(guān)于高度對(duì)速度的的影響，干脆明確告訴學(xué)生，由于初中學(xué)生知識(shí)水平所限，目前無法從理論上來證明；由于初中器材的局限性，無法從實(shí)驗(yàn)中精確測(cè)定，目前只需記住結(jié)論即可.

參考文獻(xiàn)：

[1] 黎蓉． 學(xué)習(xí)與評(píng)價(jià)·物理實(shí)驗(yàn)九年級(jí)(上)·配人教版課程標(biāo)準(zhǔn)本[M]． 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2003：56-57．

[2] 劉俊英． “影響動(dòng)能大小因素”與“動(dòng)能與彈性勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化”探究實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]． 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012(20)：28-30．

[3] 劉炳昇． 中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)——初中物理分冊(cè)[M]． 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2012：214-215．