【摘要】利用彈簧和刻度尺自制測(cè)力計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注彈簧彈力和伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系，用作圖法計(jì)算勁度系數(shù)，得出胡克定律。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為三個(gè)層次：定性分析;定量計(jì)算，得出胡克定律F=k·△x;在水平方向進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】KPK ?胡克定律 ?高中物理

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）40-0154-02

人教版教材中，“胡克定律”是必修一第三章“相互作用”的第二節(jié)內(nèi)容。課程標(biāo)準(zhǔn)的要求是知道胡克定律，并舉例要求制作一個(gè)簡(jiǎn)易彈簧測(cè)力計(jì)，用胡克定律解釋其工作原理[1]。教材中是以圖片的形式給出懸掛法測(cè)定彈簧勁度系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出胡克定律，簡(jiǎn)單介紹勁度系數(shù)。而教師授課時(shí)基本上按照懸掛法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或者結(jié)合圖片、視頻和習(xí)題進(jìn)行講解。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

胡克定律實(shí)驗(yàn)的課本內(nèi)容屬于通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出定律，從作圖入手處理數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)線性函數(shù)知識(shí)得出表達(dá)式。在教學(xué)過(guò)程中該實(shí)驗(yàn)一般分為兩類：教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。

教師在課堂中進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，目前有三種常用的處理方案：（1）根據(jù)教材圖片（圖1）提供的方案即水平用彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)彈簧，記錄下不同拉力下彈簧的增長(zhǎng)量，然后作圖處理數(shù)據(jù)得出表達(dá)式;（2）懸掛法測(cè)量彈簧伸長(zhǎng)量和鉤碼之間的關(guān)系，在課前多次測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，提前做出圖像，在課堂上演示一遍實(shí)驗(yàn)過(guò)程后，將課前的實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果和圖像展示給學(xué)生，由此得出表達(dá)式;（3）制作直觀型教具，比如將多個(gè)彈簧水平等間距的固定懸掛在木板上，在彈簧下依次掛上等量遞增的鉤碼，并標(biāo)記彈簧下端的位置，然后作圖處理這些點(diǎn)，由此得出表達(dá)式。

這三種演示實(shí)驗(yàn)方式無(wú)論直觀度如何，都不能改變胡克定律的演示實(shí)驗(yàn)本身存在的數(shù)據(jù)記錄量大、實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單重復(fù)率高和耗時(shí)間等缺點(diǎn)。學(xué)生邊聽(tīng)邊看教師操作的過(guò)程中缺少自我思考，實(shí)驗(yàn)過(guò)程受測(cè)量誤差的影響容易出現(xiàn)作圖失敗的結(jié)果，會(huì)使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論產(chǎn)生不同程度的疑惑;其次，作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，利用測(cè)量彈簧的形變量的作圖方法煩瑣，會(huì)占用大量的課堂教學(xué)時(shí)間，教學(xué)效果往往不佳[2]。

作為學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，由于課本沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無(wú)法依靠課本進(jìn)行預(yù)習(xí)準(zhǔn)備。胡克定律實(shí)驗(yàn)與之前的運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)不同，運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量速度實(shí)驗(yàn)用時(shí)短，實(shí)驗(yàn)后續(xù)處理復(fù)雜。而胡克定律實(shí)驗(yàn)用時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)步驟重復(fù)操作次數(shù)多，為了確保實(shí)驗(yàn)精確，需要多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)于高一的學(xué)生而言，這樣的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有趣味，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣。同時(shí)要求學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，加重了教師在課前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的負(fù)擔(dān)，占用本就短缺的課時(shí)。

由此可見(jiàn)胡克定律實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，操作重復(fù)度高，數(shù)據(jù)記錄量大，無(wú)論是演示實(shí)驗(yàn)還是讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)都很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。為了解決這個(gè)困境，可以參考德國(guó)卡爾斯魯厄課程教材中用橡皮筋指導(dǎo)學(xué)生制作測(cè)力計(jì)的方式，增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣?？紤]到教師的課堂教學(xué)時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)可以放在彈力之后作為胡克定律的引入實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中將“探究彈簧彈力和形變量的關(guān)系”列為必修課程中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，可見(jiàn)該實(shí)驗(yàn)的重要性。同時(shí)新課標(biāo)要求“教師可在一些物理實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在觀察和體驗(yàn)后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想，萌發(fā)出科學(xué)問(wèn)題;還可在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)設(shè)一些任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)中運(yùn)用科學(xué)思維，自己提煉出應(yīng)探究的科學(xué)問(wèn)題[3]?！边M(jìn)行胡克定律實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生已經(jīng)做過(guò)多個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)，具備獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和基礎(chǔ)的記錄和處理數(shù)據(jù)能力。筆者參考德國(guó)卡爾斯魯厄物理課程教材中胡克定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于我國(guó)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知水平，提出以引導(dǎo)學(xué)生自主探究為基礎(chǔ)的胡克定律實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案。

2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

制作一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，在制作過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生觀察彈簧拉伸長(zhǎng)度和彈力的關(guān)系，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生理解測(cè)力計(jì)的設(shè)計(jì)原理。通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境，安排任務(wù)增加學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

總體設(shè)計(jì)分為三個(gè)層次：

層次一：定性探究，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生利用彈簧、刻度尺制作彈簧測(cè)力計(jì)，在制作測(cè)力計(jì)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生注意測(cè)力計(jì)刻度與彈力之間的關(guān)系;

層次二：定量計(jì)算，通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)探究彈簧彈力和形變量的關(guān)系，得出胡克定律F=k·Δx;

層次三：在水平方向進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

（1）定性探究

創(chuàng)設(shè)情景：在測(cè)力計(jì)還沒(méi)有發(fā)明，力的測(cè)量單位還沒(méi)有確定下來(lái)的情況下，如何測(cè)量物體所受的重力？

提出任務(wù)：利用彈簧，米尺，木板制作一個(gè)測(cè)力裝置。

第一步：確定量度單位。教師以米尺測(cè)量木板長(zhǎng)度為例子，引導(dǎo)學(xué)生在測(cè)量力的大小之前，需要確定一個(gè)基本單位。然后教師提出一個(gè)確定方法：先將一個(gè)彈簧固定在刻度尺的一端，并讓它在水平方向自然伸長(zhǎng)，測(cè)出它在自然狀態(tài)的長(zhǎng)度X0，如圖2。然后將彈簧拉伸5cm，我們規(guī)定彈簧伸長(zhǎng)5cm時(shí)受到的拉力為一個(gè)單位的力。

第二步：標(biāo)定更多單位。教師提出問(wèn)題：在已經(jīng)標(biāo)定一個(gè)基本單位力的大小的情況下，如何在米尺上標(biāo)定兩個(gè)單位力的大小，給學(xué)生一定的時(shí)間思考。然后教師請(qǐng)學(xué)生回答，將學(xué)生思路引導(dǎo)到以下方案：已知一個(gè)彈簧拉伸5cm時(shí)受到的拉力為1個(gè)單位，假如，我們將三個(gè)相同的彈簧連在同一個(gè)結(jié)點(diǎn)，用力拉伸其中一個(gè)彈簧直至兩個(gè)被拉伸彈簧的伸長(zhǎng)量為5cm，拉伸過(guò)程中保證三個(gè)彈簧在同一水平線上。此時(shí)手拉住的彈簧就受到兩個(gè)單位的力，在刻度尺上就可以標(biāo)記拉伸到

這個(gè)點(diǎn)的力是受到兩個(gè)單位的力，如圖3。用同樣的方式，并聯(lián)更多的彈簧，標(biāo)定更多單位。此時(shí)彈簧和其固定的刻度尺就是一個(gè)測(cè)力計(jì)。

第三步：畫(huà)出標(biāo)定圖像。當(dāng)我們讓學(xué)生標(biāo)記了六個(gè)單位的力之后，教師提出問(wèn)題：如果我們知道彈簧伸長(zhǎng)3cm，如何得出彈簧彈力的大??？讓學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生觀察刻度尺上每個(gè)單位之間的間隔。通過(guò)單位之間的間隔不變，得出每增加一個(gè)單位的力，彈簧的伸長(zhǎng)量是相同的結(jié)論。此時(shí)學(xué)生就會(huì)聯(lián)想到彈簧彈力和彈簧的伸長(zhǎng)量是正比關(guān)系，也就是說(shuō)彈簧伸長(zhǎng)3cm，彈簧彈力是0.6個(gè)單位的力。

（2）定量計(jì)算

由于高一的學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)了一次函數(shù)，具備基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)知識(shí)，教師先讓學(xué)生通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)彈簧測(cè)力計(jì)讀出一個(gè)單位力的大小，然后讓學(xué)生以自制彈簧測(cè)力計(jì)上力的單位標(biāo)記點(diǎn)為縱坐標(biāo)，以拉伸到該點(diǎn)所用的力為橫坐標(biāo)作圖，通過(guò)圖像可以得出表達(dá)式F=k·Δx并求出彈簧的勁度系數(shù)k。

（3）水平方向的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

學(xué)生得出胡可定律的表達(dá)式后，教師可以通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量彈簧彈力的方法驗(yàn)證表達(dá)式是否成立。將標(biāo)準(zhǔn)彈簧測(cè)力計(jì)在水平方向上拉伸彈簧（在彈性限度內(nèi)）到一定刻度X1，讀出此時(shí)的拉力F1。將X1-X0的差值帶入表達(dá)式中求得理論值F2，通過(guò)比較理論值和實(shí)際值驗(yàn)證表達(dá)式是否成立。

3.總結(jié)與反思

自制測(cè)力計(jì)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過(guò)程中創(chuàng)設(shè)情景，引發(fā)學(xué)生的探究興趣，滿足學(xué)生對(duì)于物理學(xué)習(xí)中自主探究和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的想法。與傳統(tǒng)的懸掛法實(shí)驗(yàn)相比，減少實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理量，突破了胡克定律演示實(shí)驗(yàn)搬運(yùn)道具的困難。從學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā)，實(shí)驗(yàn)分為定性和定量探究?jī)蓚€(gè)部分，思路清晰，循序漸進(jìn)。

本實(shí)驗(yàn)用的是實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)器材，利用彈簧和刻度尺，器材簡(jiǎn)單，直觀度高，便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。同時(shí)可以將彈簧改為橡皮圈，利用橡皮圈和刻度尺制作測(cè)力計(jì)，運(yùn)用生活器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠解決因?qū)嶒?yàn)器材匱乏而難以開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的難題，用作圖法處理數(shù)據(jù)方便快捷。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2017. 12

[2]常克義.關(guān)于胡克定律演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備， 2016， 09： 143～144.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017. 53

作者簡(jiǎn)介：

景行行止（1993.3-），浙江湖州人，碩士在讀，研究方向：國(guó)外教材研究。