安徽省蚌埠第一實驗學校(233000) 王馳明 王 芳

人教版物理必修1第3章“相互作用”第2節(jié)“實驗：探究彈簧彈力與彈簧形變量關(guān)系”是中學階段重要的探究實驗，使用彈簧測力計是力學測量的基礎(chǔ)，對于認識彈力、重力、摩擦力、浮力等概念具有重要意義，能幫助學生完成對力的初步認識，為今后學習力學知識打下必要的基礎(chǔ)。

1 常規(guī)探究胡克定律實驗裝置

在實際教學和各類比賽中教師通常采用鐵架臺、直尺等器材組裝而成的實驗裝置進行實驗，如圖1所示。該裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、操作不方便，采集數(shù)據(jù)時誤差大，不利于開展實驗。

圖1 常規(guī)實驗裝置

2 實驗方案的一次改進

2.1 實驗裝置的主要結(jié)構(gòu)

方案一采用豎直面內(nèi)懸掛輕質(zhì)彈簧的方式。如圖2所示，將輕質(zhì)彈簧一端固定，另一端通過細繩跨過定滑輪拉伸彈簧。輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示彈力的橫坐標軸重合，縱坐標記錄彈簧的形變量。增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)可使彈簧的彈力成倍增加，彈簧發(fā)生形變，帶動輕桿向下運動。輕桿所在位置對應(yīng)刻度即為彈簧伸長量，與事先標注好的表示彈力的橫坐標對應(yīng)。描繪出輕桿與豎直虛線的交點，連接各點得出彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系，省去記錄數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，更換復(fù)印膠片可進行多次實驗。

1-儀器底座;2-立板;3-復(fù)印膠片;4-水平輕桿;5-細繩;6-輕彈簧;7-滑輪;8-砝碼勾;9-鉤碼圖2 探究彈力與彈簧伸長量關(guān)系演示儀1

改進后的實驗方案與傳統(tǒng)實驗方案相比操作簡單、攜帶方便，便于開展演示實驗和分組實驗，省去了記錄數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，減少實驗誤差。但該裝置采用彈簧豎直懸掛的方法進行實驗，由于彈簧自重的影響，實際上測量的不是彈簧彈力與伸長量的關(guān)系，而是彈簧彈力變化量與彈簧形變量的關(guān)系，很多教師在進行演示實驗時并沒有說明這一點。筆者設(shè)計的實驗方案二較好的解決了這個問題。

方案二：人教版教材中彈簧的拉伸實驗是把彈簧水平放置進行實驗，如圖3所示。細微的變化其實反映的是教材編者對于這一問題的重視，彈簧水平放置測量的才是彈簧彈力與伸長量的關(guān)系。受這一變化啟發(fā)，筆者設(shè)計了探究“探究彈力與彈簧伸長量關(guān)系演示儀”，如圖4所示?？紤]到彈簧如果水平放置在桌面上拉動會有摩擦的存在，而且水平放置觀察性也較差，該方案采用豎直面內(nèi)水平懸掛輕質(zhì)彈簧的方式。將輕質(zhì)彈簧一端固定，另一端通過細繩跨過定滑輪拉伸彈簧。輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示力的坐標軸重合，通過增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)可使彈簧的彈力成倍增加，彈簧發(fā)生形變帶動輕桿沿橫軸移動，輕桿所在位置對應(yīng)的刻度即為彈簧伸長量。描繪出輕桿與豎直虛線的交點，連接各點可得出彈簧彈力與伸長量的關(guān)系，省去記錄數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，更換復(fù)印膠片可進行多次實驗。

圖3 人教版教材實驗

1-儀器底座;2-立板;3-彈簧;4-復(fù)印膠片;5-滑輪;6-砝碼勾;7-鉤碼;8-豎直輕桿;9-細線圖4 探究彈力與彈簧伸長量關(guān)系演示儀2

2.2 改進實驗在實際教學中的探究過程

2.2.1 方案一實驗探究過程

(1)將輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示力的坐標軸重合，沿縱坐標移動的輕桿記錄了彈簧的形變量，橫軸表示彈力。

(2)向砝碼鉤上依次增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)，描繪出輕桿與豎直虛線的交點得到一個坐標點。

(3)用平滑曲線擬合各點得到表示彈簧彈力與彈簧伸長量關(guān)系，如圖5所示。學生展示成果，進行小組討論后，抽選代表分析圖像代表的意義。結(jié)合數(shù)學知識得出：彈簧彈力與彈簧的伸長量成正比。

圖5 彈簧彈力與彈簧伸長量關(guān)系圖1

2.2.2 方案二實驗探究過程

(1)輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示力的坐標軸重合，沿橫坐標移動的輕桿記錄了彈簧的形變量，縱軸表示彈力。

(2)向砝碼鉤上依次增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)，描繪出輕桿與豎直虛線的交點。

(3)用平滑曲線擬合得到表示彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系，如圖6所示。學生展示成果，進行小組討論后，抽選代表分析圖像代表的意義。結(jié)合數(shù)學知識得出：彈簧彈力與彈簧的伸長量成正比。

圖6 彈簧彈力與彈簧伸長量關(guān)系圖2

3 改進實驗裝置的優(yōu)點

(1)用立板替代鐵架臺結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，攜帶方便，便于開展演示實驗和分組實驗。

(2)彈簧由豎直放置改為水平放置，能夠克服自重對測量伸長量的影響， 解決了許多教師在進行演示實驗中遇到的這一問題，真正測量彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系。

(3)用復(fù)印膠片替代坐標紙，便于投影。同時，也可將兩張膠片重疊進行對比分析，如圖7所示。通過采用不同彈簧分析兩條直線的斜率變化，能較好的使學生明白彈簧彈力與彈簧勁度系數(shù)有關(guān)。

圖7 對比分析圖

(4)以彈簧原長末端為坐標原點建立直角坐標系，通過尋找輕桿和表示力大小的虛線交點連線直接擬合出彈簧彈力與彈簧伸長量的線性關(guān)系，省出記錄采集數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，減小實驗誤差。

4 結(jié)束語

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的的學科，注重培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，為此要求教師應(yīng)利用一些自制教具來輔助教學，把創(chuàng)新實驗和物理教學有機融合。教師進行低成本的實驗設(shè)計和開發(fā)，并將其帶進課堂，相比于數(shù)字化實驗更貼近生活。同時，可以鼓勵學生利用現(xiàn)有知識和身邊的器材積極參與到實驗的設(shè)計和操作中來，有意識的培養(yǎng)他們的探索精神和動手能力。

自制的兩組教具給學生提供了豐富的實驗器材，在課堂教學中能夠支撐學生的建構(gòu)活動。鼓勵學生在問題中思維，在情景中歸納，在實驗中發(fā)現(xiàn)，在活動中交流與合作，從中體驗科學探究的成功和喜悅。學生從這個過程中掌握了探究物理知識的方法，培養(yǎng)了科學探究精神，吸收了抽象的物理知識。