遷移能力在高中物理實驗設計上的妙處體現

劉鵬程

摘 要：高中物理驗證性及探究性實驗設計應盡最大努力設計“可行性”方案，并索取待測數據，要求實驗設計方案簡潔，實驗數據易測且較

準確。

關鍵詞：高中物理 實驗設計 策略

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-0-01

該文以“驗證牛頓運動定律的設計實驗”和“探究動能定理”為例，闡述知識遷移在高中物理學習中的妙處。

1 驗證牛頓運動定律

待驗證的關系式是：F=m a 。

首先：分析各物理量的可行性測量手段。

（1）F是物體的合外力，怎樣測呢？方法為：

①讓物體的自身重力充當合外力（即物體做自由落體運動），只要測出質量即可。

②用彈簧秤拉著物體在光滑的水平面上運動（實際上光滑水平面不存在），彈簧秤拉著物體運動時讀數不方便且不準確，此方案易想到但不可行。

③斜面上的物體下滑時，合外力是：當斜面光滑時，物體外力是mgsinθ。光滑的斜面實際上不存在，故此方案不可行；斜面不光滑時，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需測質量m，角度θ和動摩擦因數μ。此方案易被學生接受，實驗器材常見，但是操作過程較復雜。

④為簡化過程可將上邊的摩擦力“平衡掉”：將斜面抬高，讓物體恰好勻速下滑；當用細線將此物體m2與另一物體m1通過定滑輪連接，另一物體m1的重力近似代替此物體m2的合外力（必須控制條件：m1<

（2）a是物體的加速度。怎樣測得呢？高中階段能得到物體的加速度，低成本可行的簡便方法是用打點計時器。

（3）m是質量，用天平就能測量。

其次：設計組合可行性的實驗方案。

方案一：物體重力充當合外力，結合打點計時器。

驗證表達式是：mg=ma；其中a=。紙帶上點的速度求解：v =。此時質量m不需測。

方案二：斜面上的連有紙帶的物體自由下滑，打點計時器計時和記錄位移。需驗證的表達式：mgsinθ-μmgcosθ=m a；

μ的得出途徑：（1）查閱相關書籍直接借用數據。（2）測量得出：調整斜面傾角，讓物體恰好能勻速下滑，則μ=tanθ。此時不需測量質量。

方案三：解決方案二的過程量繁瑣問題—平衡摩擦力，用重物重力代替線的拉力。驗證的表達式：m1g=m2a，此時需要兩次測量質量。

方案四：改裝方案二，三中的打點計時器為“光電門”，解決測速度的問題！

方案五：實驗條件允許，可選用“氣墊導軌+光電門”組合懸掛重物來實驗，以減小摩擦影響。

綜合來看，高中實驗室常用的可行性的測量“v”“t”手段是：打點計時器，光電門！

2 探究動能定理

此實驗的目的是想探究等式FS =是否成立。如何驗證？就是設法將各物理量測出來。

首先分析各物理量可行性的測量手段：

（1）F是物體的合外力，怎樣操作可行呢？方案同上。整合后得出可行性方案為：

①用物體的重力充當合外力（物體做自由落體運動）

②物體的運動過程在斜面上，物體下滑時，合外力是：當斜面光滑時，物體外力是mgsinθ；不光滑時，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需測質量m及角度θ和動摩擦因數μ（斜面上的物體勻速下滑時，μ = tanθ）。

③為簡化操作過程，可以將上邊的摩擦力平衡掉（將斜面抬高，讓物體恰好勻速下滑），當用細線將此物體m1與另一物體m2通過定滑輪連接，另一物體m2的近似代替此物體m1的合外力（必須控制條件：m2 << m1）。

④用橡皮筋提供拉力。只需控制橡皮筋的伸長量，不必考慮力的實際大小。驗證的方法得是比值法。

⑤讓物體在粗糙的水平面上做減速運動，F=μmg。μ可測，如將物體放在同種材料的斜面上調試，勻速下滑時，μ=tanθ。但是此時的初速度v0必須提前可測。

（2）S是物體的位移。可以用刻度尺將它測出。若不用打點計時器，事先得有所記錄物體的初末位置。

（3）m是物體質量，用天平可測。并不是每一種方案都必須測物體的質量。如物體自身重力代替它所受的合外力時，驗證性等式中的m已經約掉了。

（4）V0與V 是物體的初速度與末速度。它又怎么得出呢？高中階段能得到物體的運動速度的方法，不外乎是：打點計時器打下紙帶；光電門測速度；平拋運動可測出物體的初速度。

其次：針對上邊外力的設計方案，結合速度的可行性方案，簡要介紹整個實驗的設計流程。

方案一：物體重力提供合外力，打點計時器測速度。

將紙帶連上重物穿過限位孔后，先開電源，待穩定后釋放紙帶。忽略摩擦后，驗證的等式是：mg S=。質量不需測。S是紙帶上兩點間距。速度通過紙帶可求出。

方案二：斜面上物體僅受到繩子的拉力作用，拉力近似等于所吊重物的重力。

此方案首先需要平衡摩擦力，是否平衡到位，就用紙帶上的點間距來量度。在掛上重物，通電后釋放重物。待驗證的等式是：m1 g S=，質量是必須測量的量。S是紙帶上兩點間距，v和v0是兩點的速度。

方案三：如果不平衡摩擦力，則只需將斜面上的重物連上紙帶由靜止待打點計時器工作穩定后釋放，需要驗證的等式：（mgsinθ-μmgcosθ）S =，其中μ=g tanθ。等式就簡化成了mgsinθ（1-g）S= 。質量是不需測量的，斜面傾角θ需測量。

方案四：斜面上的物體平衡摩擦力后，分別用一根兩根橡皮筋連上物體，每次讓橡皮筋伸長量都一樣，由靜止待打點計時器工作穩定后釋放，用比值法處理得：，這里只需求出紙帶上的對應兩點的速度即可。

方案五：先將物體放在木板上，調節木板傾斜程度，讓物體勻速下滑，得到μ=tanθ；再將物體由平拋斜槽軌道釋放，利用測出豎直與水平位移，用平拋運動知識求出平拋初速度v0；最后將木板對接到斜槽軌道末端水平放置，在同樣的位置釋放物體，待物體停下記錄下位置，需要驗證的等式：—μmgS=0-，不需測質量。

上述兩實驗的設計方案中，是有很多相似的地方。知識的遷移在此處解決問題時，能更大程度的激發學生的興趣，潛移默化中培養了學生的獨立思考與解決問題的能力。