鄧卓良

摘 要：在學(xué)習(xí)物理這一學(xué)科的過程中，物理老師經(jīng)常使用橡皮筋作為實(shí)驗(yàn)操作過程中的輔助工具。在“力的平行四邊形定則”這一實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中，物理教師就用到了橡皮筋。本文就通過對(duì)“力的平行四邊形定則”這一實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作，對(duì)其中的橡皮筋問題作出一些探討，以期能促進(jìn)今后物理學(xué)習(xí)中的獨(dú)立思考與理論理解和實(shí)踐應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：力的合成;橡皮筋;問題;探討

橡皮筋作為一種較為常見的日常生活用品，因成本低廉且應(yīng)用較為廣泛，經(jīng)常在物理實(shí)驗(yàn)中作為輔助工具以提高物理實(shí)驗(yàn)的演示效果，并加深對(duì)物理演示過程及理論知識(shí)的記憶。在“力的平行四邊定則”這一實(shí)驗(yàn)中橡皮筋就起到了非常重要的作用，對(duì)于學(xué)生而言，這種實(shí)驗(yàn)在操作上也更利于掌握，隨時(shí)隨地就可以進(jìn)行演示。本文就在結(jié)合自身所掌握的相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)這一實(shí)驗(yàn)中的橡皮筋問題進(jìn)行了探討。

1.實(shí)驗(yàn)中的橡皮筋問題

力的平行四邊形定則時(shí)我們高中學(xué)習(xí)階段所學(xué)的一個(gè)重要理論知識(shí)，物理老師在教授這一內(nèi)容時(shí)都會(huì)輔助以具體的實(shí)驗(yàn)操作以幫助我們加深對(duì)這一課程的理解。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中所用到的主要思想是“等效替代”，即當(dāng)使用彈簧秤對(duì)橡皮筋進(jìn)行彈力測(cè)試時(shí)使用的是二力平衡的原理，而當(dāng)用兩個(gè)分力對(duì)橡皮筋進(jìn)行測(cè)試時(shí)則是三力平衡，依據(jù)等效替代的思想就兩個(gè)分力就可以通過平行四邊形定則求出合力。但是在這一實(shí)驗(yàn)中，橡皮筋的兩次拉伸程度應(yīng)保持一致才能使其彈力值相同，這是確保實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確的前提要素，也是致使實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤差的最主要環(huán)節(jié)。

在本次探討中，本文就對(duì)2014年的江蘇高考試題進(jìn)行了相關(guān)研究，并親自做了該實(shí)驗(yàn)。首先選擇一塊木板豎直放置，并在其表面固定一張白紙，然后在白紙上選擇一點(diǎn)O將橡皮筋的一端進(jìn)行固定，下端P處懸掛一重物，隨后拎住橡皮筋下端水平緩慢移動(dòng)并記錄運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)結(jié)束此次操作后，使橡皮筋回歸到初始狀態(tài)再次重復(fù)之前的操作，并再次記錄軌跡。在2014年的原題中指出其實(shí)驗(yàn)結(jié)果中兩次運(yùn)動(dòng)軌跡之間存在明顯的不同，但是在本次的探討中，實(shí)際的演示結(jié)果卻與答案有明顯不同。

在經(jīng)過對(duì)此次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的思考后，結(jié)合物理老師的專業(yè)意見，在老師的協(xié)助下使用DIS對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行精確測(cè)量。即測(cè)量不同橡皮筋的伸長(zhǎng)量與其拉力之間存在的關(guān)系，本次研究中主要測(cè)量了兩種質(zhì)量明顯不同的橡皮筋。具體操作過程如下，首先將橡皮筋的一端進(jìn)行固定，另一端與傳感器連接，在測(cè)量時(shí)還要使用帶有刻度的紙質(zhì)直尺，使橡皮筋保持自然狀態(tài)時(shí)的末端在刻度尺的0刻度位置，然后使用傳感器將橡皮筋拉長(zhǎng)到不同程度并分別記錄下每次的彈力值，拉伸長(zhǎng)度從1厘米以0.5厘米為單位遞進(jìn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于所使用的橡皮筋，質(zhì)量較好的那一根在伸長(zhǎng)量低于13cm時(shí)，只要伸長(zhǎng)量相同，測(cè)量出的其彈力也相同;但是當(dāng)伸長(zhǎng)量大于13厘米時(shí)，即使伸長(zhǎng)量相同，其彈力也存在一些差異，這也是實(shí)驗(yàn)誤差出現(xiàn)的原因。而質(zhì)量不好的那一根，隨著其伸長(zhǎng)量的增加，其彈力之間的差值也越大。

2.分析與啟示

筆者所接觸過的物理實(shí)驗(yàn)中，橡皮筋都是被作為彈簧來使用的，而在使用時(shí)已默認(rèn)橡皮筋是滿足胡克定律的，但是相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，橡皮筋的彈力與其伸長(zhǎng)量之間的比值卻是變動(dòng)的，并且兩者之間呈非線性的關(guān)系。因?yàn)楸旧硐鹌そ钤诓煌氖褂铆h(huán)境中因其構(gòu)造及所使用原料的物質(zhì)特性就會(huì)出現(xiàn)不同的變化。實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)將橡皮筋拉長(zhǎng)到原長(zhǎng)度的7倍時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就有可能被破壞，而這種破壞就會(huì)帶來能量的損耗，使橡皮筋不再滿足胡克定律也就不能被用于某些實(shí)驗(yàn)中。

通過上述分析，筆者對(duì)力的平行四邊形定則實(shí)驗(yàn)中是否可以使用橡皮筋進(jìn)行了思考。在此實(shí)驗(yàn)中，雖然橡皮筋可能不能滿足胡克定律，只要滿足伸長(zhǎng)量一定時(shí)彈力也一定即可。但是有的對(duì)胡克定律要求較為嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)中就不能使用橡皮筋，如制作測(cè)力計(jì)的實(shí)驗(yàn)中。通過與物理老師進(jìn)行探討，結(jié)合自身所掌握的一些知識(shí)總結(jié)出一些使用橡皮筋的實(shí)驗(yàn)中需要注意的是：①在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所選用的橡皮筋在質(zhì)量上應(yīng)過關(guān)，因?yàn)橘|(zhì)量低劣的橡皮筋在拉伸量稍長(zhǎng)時(shí)就會(huì)發(fā)生形變，使其彈力的測(cè)量值出現(xiàn)誤差，并且隨著拉伸量的不斷增大，誤差也會(huì)越來越大，而質(zhì)量較好的橡皮筋就可以在一定程度上避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn);②在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能對(duì)橡皮筋進(jìn)行過度拉伸，這就要求我們的物理教師在進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示時(shí)應(yīng)展示具體的關(guān)系圖，即橡皮筋的拉伸量與彈力之間的關(guān)系，只有這樣才能更加便于學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解;③所選用的橡皮筋最好應(yīng)是未曾使用的新橡皮筋，因?yàn)橹挥羞@種未曾使用過的在使用時(shí)出現(xiàn)的誤差才不會(huì)過大，而若使用回收來的橡皮筋則可能會(huì)因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已遭到破壞而使其出現(xiàn)滯后特性，影響對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

結(jié)束語

通過對(duì)此次實(shí)驗(yàn)中使用的橡皮筋的相關(guān)問題進(jìn)行探討，筆者發(fā)現(xiàn)在學(xué)習(xí)中不僅要為何要使用橡皮筋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理全面掌握。此外，經(jīng)過中橡皮筋問題的探究，在對(duì)物理探究實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)中我們應(yīng)不斷拓寬思維，要善于發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)之中的有價(jià)值的問題，并以此為中心進(jìn)行深入探究，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)對(duì)問題進(jìn)行討論以達(dá)到探究實(shí)驗(yàn)本身的教學(xué)目的。不僅要不斷激發(fā)對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)欲望，還要發(fā)散物理學(xué)習(xí)的思維，打開看待問題的視野不斷拓寬對(duì)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)深度并對(duì)其廣度進(jìn)行思考。通過這種方式不斷養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，并不斷培養(yǎng)主動(dòng)研究、自主探索的意識(shí)和習(xí)慣，將枯燥的物理學(xué)習(xí)過程不斷趣味化，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)上的獨(dú)立發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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