王馳明 王 芳

(安徽省蚌埠第一實(shí)驗(yàn)學(xué)校，安徽 蚌埠 233000)

1 問題的提出

人教版《物理》必修1第3章“相互作用”第2節(jié)“實(shí)驗(yàn):探究彈簧彈力與彈簧形變量關(guān)系”是中學(xué)階段重要的探究實(shí)驗(yàn)．用彈簧測(cè)力是力學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ),對(duì)于認(rèn)識(shí)彈力、重力、摩擦力、浮力等概念具有重要意義,能幫助學(xué)生完成對(duì)力的初步認(rèn)識(shí),為今后學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)打下必要的基礎(chǔ)．

圖1 常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)際教學(xué)和比賽中教師通常采用由鐵架臺(tái)、直尺等器材組裝而成的實(shí)驗(yàn)裝置,該組裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、攜帶不方便,采集數(shù)據(jù)時(shí)誤差大,不便于開展實(shí)驗(yàn)．同時(shí)該裝置采用彈簧豎直懸掛的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),由于彈簧自重的影響,實(shí)際上測(cè)量的不是彈簧彈力與伸長(zhǎng)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(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)并沒有說明這一問題．

2 實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)

2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

圖2 人教版教材實(shí)驗(yàn)方案

人教版教材中彈簧的拉伸實(shí)驗(yàn)是把彈簧水平放置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)如圖2,細(xì)微的變化其實(shí)反映的是教材編者對(duì)于這一問題的重視,彈簧水平放置測(cè)量的才是彈簧彈力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系,受這一變化啟發(fā)筆者設(shè)計(jì)了如下這套探究“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系演示儀”如圖3所示,考慮到彈簧如果水平放置在桌面上拉動(dòng)就會(huì)有摩擦的存在,而且水平放置觀察性也差,本設(shè)計(jì)采用豎直面內(nèi),水平懸掛輕質(zhì)彈簧方式,將輕質(zhì)彈簧一端固定,另一端通過細(xì)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(biāo)軸重合,通過增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量50 g)可使彈簧的彈力成倍增加,輕桿也沿表示伸長(zhǎng)量的橫軸移動(dòng),輕桿所在位置對(duì)應(yīng)刻度即為伸長(zhǎng)量,描繪出輕桿與水平虛線的交點(diǎn),連接各點(diǎn)可得出彈力與伸長(zhǎng)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(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)．沿橫坐標(biāo)移動(dòng)的輕桿記錄了彈簧的形變量,縱軸表示彈力,與事先標(biāo)注好的虛線(表示彈力大小)對(duì)應(yīng).

1. 儀器底座； 2. 立板； 3. 彈簧； 4. 復(fù)印膠片； 5. 滑輪 6. 砝碼鉤； 7. 鉤碼； 8. 豎直輕桿；9. 細(xì)線

改進(jìn)1.用立板替代鐵架臺(tái)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,攜帶方便,便于開展演示和分組實(shí)驗(yàn)．

改進(jìn)2.將彈簧由豎直放置改為水平放置克服自重對(duì)測(cè)量伸長(zhǎng)量的影響, 解決很多教師在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)中遇到的這一問題,真正測(cè)量彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系,體現(xiàn)和落實(shí)教材編者的思想．

改進(jìn)3.采用豎直面內(nèi)水平懸掛彈簧,克服摩擦力影響,實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確．

創(chuàng)新1.用復(fù)印膠片替代坐標(biāo)紙,便于投影同時(shí)也可將將兩張坐標(biāo)紙重疊,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(xué)生明白彈簧彈力與勁度系數(shù)有關(guān)．

創(chuàng)新2.以彈簧原長(zhǎng)末端為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,通過尋找輕桿和表示力大小的虛線交點(diǎn)連線直接擬合出彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的線性關(guān)系,省去記錄采集數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié),減小實(shí)驗(yàn)誤差．

2.2 拉伸實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

傳統(tǒng)教學(xué)缺乏壓縮實(shí)驗(yàn)的方案,多數(shù)教師只演示拉伸實(shí)驗(yàn),在拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)論上直接給出壓縮結(jié)論,學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)．為了解決這個(gè)問題,筆者利用實(shí)驗(yàn)室常見器材設(shè)計(jì)了一套“探究彈力與彈簧壓縮量關(guān)系演示儀”如圖4所示,教學(xué)起到良好效果．

圖4 探究彈力與彈簧壓縮量關(guān)系演示儀

2.2.1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置.

利用100 mL量筒、壓縮彈簧、鉤碼、復(fù)印膠片．將直徑比試管口徑略小的壓縮彈簧置入其中,在彈簧上端加一紅色墊片,以此位置為0刻度,向下遞增標(biāo)出刻度．依次將鉤碼(鉤碼質(zhì)量50 g)置于試管中壓縮彈簧,添加鉤碼可以使彈力成倍增加．每次紅色墊片所指位置對(duì)應(yīng)的刻度即為此時(shí)彈簧壓縮量,直接將彈力大小和彈簧的壓縮量標(biāo)注印有坐標(biāo)系的復(fù)印膠片上．復(fù)印膠片的縱坐標(biāo)表示彈力,橫坐標(biāo)表示彈簧的壓縮量,結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)得出彈簧彈力與彈簧壓縮量的關(guān)系．

(2) 實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)取材方便,補(bǔ)充教材中沒有壓縮實(shí)驗(yàn)方案的缺陷,可使學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)可以將抽象的物理知識(shí)直觀化,符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)．

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單,在求彈簧的壓縮量時(shí)將傳統(tǒng)的兩次讀數(shù)相減改成一次測(cè)量直接得到壓縮量,減少了測(cè)量誤差．

實(shí)驗(yàn)操作方便,學(xué)生可以通過向試管中增加鉤碼的方法使彈力成倍增加,操作簡(jiǎn)單易行．

用帶有坐標(biāo)系的復(fù)印膠片替代表格收集數(shù)據(jù)直接作圖,結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)更直接分析數(shù)據(jù),同時(shí)也便于投影觀察圖像特點(diǎn),把兩組用不同彈簧得到的圖片重合,便于學(xué)生了解圖像斜率與彈簧勁度系數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系．

3 實(shí)驗(yàn)探究，分享成果

3.1 拉伸實(shí)驗(yàn)的探究

圖5

輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示力的坐標(biāo)軸重合,向砝碼鉤中依次增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量50 g)輕桿隨之移動(dòng),沿橫坐標(biāo)移動(dòng)的輕桿記錄了彈簧的形變量,縱軸表示彈力,描繪出輕桿與水平虛線的交點(diǎn),用平滑曲線擬合得到表示彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系如圖5所示,學(xué)生展示成果小組討論后,抽選代表分析圖像代表的意義,結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)得出:彈簧彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比．

3.2壓縮實(shí)驗(yàn)的探究

圖6

依次將鉤碼(鉤碼質(zhì)量50 g)置于試管中壓縮彈簧,添加鉤碼可以使彈力成倍增加．每次紅色墊片所指位置對(duì)應(yīng)的刻度即為此時(shí)彈簧壓縮量,直接將彈力大小和彈簧的壓縮量標(biāo)注印有坐標(biāo)系的復(fù)印膠片上如圖6所示,學(xué)生展示成果小組討論后,抽選代表分析圖像代表的意義結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)得出:彈簧彈力與彈簧壓縮量成正比．

圖7

得出彈簧彈力和彈簧形變量關(guān)系后,將兩幅復(fù)印膠片的直角坐標(biāo)系重疊如圖7所示,通過引導(dǎo)學(xué)分析圖像的異同點(diǎn)進(jìn)而使學(xué)生明白:彈簧的彈力不僅與彈簧的形變量有關(guān),還跟彈簧的材料、長(zhǎng)度、粗細(xì)等因素有關(guān),自然得出胡克定律.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由彈簧彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比，彈簧彈力與彈簧的壓縮量成正比得彈簧彈力與彈簧的形變量成正比.

胡克定律:在彈性限度內(nèi),彈簧發(fā)生彈性形變時(shí),彈力的大小F跟彈簧形變量(伸長(zhǎng)或縮短的長(zhǎng)度)x成正比．

F=kx，

其中k——彈簧的勁度系數(shù),單位:N/m, 由彈簧的材料和本身的幾何特性決定；x——彈簧伸長(zhǎng)(或縮短)的長(zhǎng)度.

4 結(jié)束語

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的的學(xué)科,注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力,為此要求教師應(yīng)會(huì)利用一些自制教具來輔助教學(xué),把創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和物理教學(xué)有機(jī)融合．教師進(jìn)行低成本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開發(fā)走進(jìn)課堂相比于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更既貼近生活,同時(shí)可以鼓勵(lì)學(xué)生利用現(xiàn)有知識(shí)和身邊的器材積極參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作中來,有意識(shí)的培養(yǎng)他們的探索能力和動(dòng)手能力．自制的兩組實(shí)驗(yàn)器材不僅得出彈力與形變量的關(guān)系還能通過兩幅復(fù)印膠片對(duì)比讓學(xué)生明白彈力大小與彈簧材料、長(zhǎng)度、粗細(xì)等因素有關(guān),實(shí)驗(yàn)探究過程支撐了學(xué)生的建構(gòu)活動(dòng),鼓勵(lì)學(xué)生在問題中思維,在情景中歸納,在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在活動(dòng)中交流與合作．學(xué)生從中掌握了探究物理知識(shí)的方法,培養(yǎng)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)精神,吸收了抽象的物理知識(shí),真正把素質(zhì)教育和核心素養(yǎng)落到實(shí)處．