再談力學實驗的思想和方法

摘要: 筆者在2009年《物理教師》第7期中談了“電學實驗的大思想和小方法”，這其實也是針對目前高三電學實驗復習談的一點體會，是筆者在多年高三復習教案基礎上整理而來。刊文以后，許多讀者又來函或來電對比力學實驗復習之道，為此，特另文淺述一些對力學實驗復習的想法。本文主要闡述了力學實驗的復習中要重視模型構建、對比拓展、實際操作。

關鍵詞:物理思想提煉;模型構建;對比拓展

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)6(S)-0011-3

力學實驗在高考中也是“重頭戲”之一，尤其是使用人教試用版新課標的省份(如江蘇、山東、廣東等)。由于熱學、光學等實驗內容也隨相關章節納入了選修部分，力學考綱實驗濃縮為四個[1]。力學實驗在高考復習中的重要性和目標性也十分突出，是每年高考的必考內容。如江蘇08高考實驗考題總分為18分(滿分120分)，電學8分，力學10分。但許多考生往往重電學輕力學，雖然力學部分總體難度不大，考題常是原實驗題或其改型，但每年的得分情形卻很不樂觀。那么，復習中該注意哪些問題，采取哪些方法，才能取得較好的效果呢?筆者以為，應該注意以下幾點。

1 力學實驗的復習更應注重物理思想的提煉，注重物理規律的復習，注重模型的構建

大多電學實驗題體現的還是單一的伏安法的“大思想” [2]，加一些函數分析、數據處理等數學方法，再加一些如“等效電源、等效替換、轉換測量、半偏法”等物理方法，構成了電學實驗的多樣性和復雜性。但相比之下，力學實驗體現的是更多的物理知識、物理規律。所以對力學實驗的復習，其實是以力學知識、力學規律的牢固掌握、綜合運用為前提的。如在驗證“加速度與力、加速度與質量的關系”的實驗中，只有能對連接體正確運用牛頓第二定律，從立式中熟練分析加速度和小車質量、砂桶重力、摩擦力相互之間關系，才能對諸如“圖線為何彎曲?”、“如何彎曲?”、“何時不過原點?”、“與哪個量成線性?”等問題進行正確的分析。而對加速度a的計算，是通過對紙帶的數據分析處理而來，這又是勻變速運動的規律的綜合運用。除此之外，這個實驗中還體現了兩個非常重要的物理思想方法:控制變量法和圖線分析法(研究加速度a與質量M的關系時也包含了物理圖線分析中的化曲為直的思想)。有許多力學實驗題，更是直接由力學習題變化而來。因此，從這一點上來講，力學實驗出新題很容易，其靈活性和多樣性也很容易做到，許多其他類型的題目都可以轉型為實驗題。如2008江蘇高考第11題:(題略)圖1為裝置圖，圖2為光滑情形下得到的s2和h的圖線。對此題簡析:

(2)運用了轉換測量的物理思想:離軌時的動能測定轉換為對平拋運動的初速度測定，器材簡單，測量方便。

(3)運用了用圖線分析問題的方法

其實與這道題所體現的相似的物理模型有很多， 如圖3所示裝置，為了測定在光滑桌面上的被壓縮了x的彈簧中儲存的彈性勢能，同樣可通過平拋運動規律測出離開桌面的動能，進而可知彈簧中儲存的彈性勢能。再如圖4，在驗證碰撞中的動量守恒時，體現的依然是轉換測量的物理思想，不過這里需要的是碰后速度(動量)而不是速度平方(動能)，故最后表達式中只有OP、ON、O′M等代表碰前或碰后速度的位移量，這里不再一一展開。

2 重對比、重擴充，在對每個實驗鞏固掌握的基礎上，引導學生對同一器材去擴充不同的實驗，同一實驗去用不同的器材(或不同的設計)

物理解題中注重一題多解、一題多變、多題歸一。其實，在力學實驗的復習中也要注重這種思想，不過在形式上稍有不同。針對高考中力學實驗有許多是原題的改型，復習中可讓學生思考同一器材可開展多少實驗，并加以區別、對比。例如:圖5為探究牛二定律實驗的裝置圖，但這一裝置還可以用來做其他很多實驗，命題人可以變著角度多方位來考。如:研究勻變速直線運動、驗證機械能守恒(M和m構成的系統)、測定動摩擦因數等。在不同的實驗中，看上去相似的東西有許多不同的本質。如圖6為探究加速度與物體受力的關系時畫出的aF圖，圖7為研究勻變速直線運動時畫出的vt圖。兩圖都發生了彎曲，且實驗裝置圖也一樣，許多同學在分析彎曲原因時就可能搞不清楚二者的區別。其實研究aF關系時本質上研究的是a與mg的關系，這里關鍵有三點:一是探究對象為小車M，其所受拉力F≠mg;二是實驗中畫的既然是amg圖，它本身就不是線性函數(即a=mgm+M);三是當Mm時，a=mg1M1+mM。此時mM趨于0，因此，此時可近似地認為a=1Mmg，即線性。其實是當F定義域為很小一段范圍時，曲線即為直線而已。所以，如果F(即mg)大一些，即不滿足Mm，必然為曲線情形，且從原式看出，隨著m的不斷增大，即a=g1+Mm隨著Mm的不斷減小，a最終將趨向于常數g，這也易于讓學生理解曲線彎曲的方向。而圖7則是該實驗在研究某一次勻變速(即一根紙帶)時的情形，vt圖告知我們后來a在變小，主要原因是滑輪高度不適當，從而使小車在末端時拉線與板不平行，合力變小使a變小。通過這樣的對比訓練，必然使學生受益匪淺。

同樣，這個裝置還能用來做驗證機械能守恒，但此時要注意:一是不需再滿足Mm的條件;二是仍需平衡摩擦力(如不平衡，可改為驗證能的轉化與守恒);三是要正確列式:mgh=12(M+m)v22-12(M+m)v12，式中h為紙帶上選取的1、2兩點間距離，用刻度尺直接量取。這個裝置還可用來進行動摩擦因數測定的實驗，注意點是:一要保證木板水平，此時同樣無需再滿足Mm的條件;二是通過紙帶去求加速度;三是正確列式μ=mg-(M+m)aMg，需要指出的是最好將小車換為滑塊，變滾動為滑動。

相應地，同樣可以引導學生用不同器材來做同一個實驗。例如對上面的驗證加速度和力的關系時，就有不同的高考版本:2007年海南高考卷就用了“斜面+小車”的裝置，不同的是它的加速度不再求助于打點計時器，省去了紙帶分析，而是直接用位移s(且實驗中不變)和時間t來表述:a=2st2，實驗器材也簡化成米尺和計時器，而合外力表述為:F=mghs。實驗中不斷改變高度h，分析1t2h圖線，進而驗證在質量m一定時a與F的關系。當然，此題第2小問中就消除摩擦問題對題設方案進行評判，令一些同學失分，在此不再贅述。類似的還有2007江蘇高考13題，不同的是它引入了傳感器和計算器，可以直接繪出圖線，這里也不再細析。

3 對力學分組實驗的復習應注重實際操作，熟悉過程，把握細節

力學實驗的復習中，許多人為了節約時間，熱衷于“紙上實驗”，以為這樣做能省時高效，其實不然。讓同學進入實驗室，重溫過程，體驗細節，對復習的有效性，其實是大有裨益的，這是因為:

(1)自然遺忘的原因。力學實驗的遺忘甚于電學實驗，由于力學實驗是學生在高一時所學，進入高三，已時隔二年，遺忘是必然的事情，而親手操作、親歷過程是最好的記憶重現手段。

(3)有利于培優補差。由于個體的差異，在課堂上不可能每個學生都能達到良好的實驗復習效果，進入實驗室后的分組實驗，有利于他們取長補短，互相促進。

參考文獻:

[1]江蘇教育考試院.江蘇省普通高中學業水平測試2010選修科目說明[M].南京:江蘇教育出版社.2009:5

[2]吳政.電學實驗大思想與小方法[J].物理教師，2009，7:20

(欄目編輯趙保鋼)