高中物理教學胡克定律實驗改進

【摘要】利用彈簧和刻度尺自制測力計，引導學生關注彈簧彈力和伸長量之間的關系，用作圖法計算勁度系數，得出胡克定律。本實驗設計分為三個層次：定性分析;定量計算，得出胡克定律F=k·△x;在水平方向進行驗證性實驗。

【關鍵詞】KPK ?胡克定律 ?高中物理

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）40-0154-02

人教版教材中，“胡克定律”是必修一第三章“相互作用”的第二節內容。課程標準的要求是知道胡克定律，并舉例要求制作一個簡易彈簧測力計，用胡克定律解釋其工作原理[1]。教材中是以圖片的形式給出懸掛法測定彈簧勁度系數的實驗方案，通過實驗得出胡克定律，簡單介紹勁度系數。而教師授課時基本上按照懸掛法進行實驗或者結合圖片、視頻和習題進行講解。

1.實驗教學現狀

胡克定律實驗的課本內容屬于通過實驗探究得出定律，從作圖入手處理數據，結合數學線性函數知識得出表達式。在教學過程中該實驗一般分為兩類：教師演示實驗和學生動手實驗。

教師在課堂中進行演示實驗時，目前有三種常用的處理方案：（1）根據教材圖片（圖1）提供的方案即水平用彈簧測力計拉動彈簧，記錄下不同拉力下彈簧的增長量，然后作圖處理數據得出表達式;（2）懸掛法測量彈簧伸長量和鉤碼之間的關系，在課前多次測量并記錄數據，提前做出圖像，在課堂上演示一遍實驗過程后，將課前的實驗記錄結果和圖像展示給學生，由此得出表達式;（3）制作直觀型教具，比如將多個彈簧水平等間距的固定懸掛在木板上，在彈簧下依次掛上等量遞增的鉤碼，并標記彈簧下端的位置，然后作圖處理這些點，由此得出表達式。

這三種演示實驗方式無論直觀度如何，都不能改變胡克定律的演示實驗本身存在的數據記錄量大、實驗過程操作簡單重復率高和耗時間等缺點。學生邊聽邊看教師操作的過程中缺少自我思考，實驗過程受測量誤差的影響容易出現作圖失敗的結果，會使學生對實驗的結論產生不同程度的疑惑;其次，作為課堂演示實驗，利用測量彈簧的形變量的作圖方法煩瑣，會占用大量的課堂教學時間，教學效果往往不佳[2]。

作為學生動手實驗，由于課本沒有給出實驗方案，學生在教師指導下進行實驗，無法依靠課本進行預習準備。胡克定律實驗與之前的運動學實驗不同，運用打點計時器測量速度實驗用時短，實驗后續處理復雜。而胡克定律實驗用時長，實驗步驟重復操作次數多，為了確保實驗精確，需要多次實驗，對于高一的學生而言，這樣的實驗沒有趣味，無法調動學生對物理實驗的興趣。同時要求學生進行獨立實驗，加重了教師在課前準備實驗的負擔，占用本就短缺的課時。

由此可見胡克定律實驗操作簡單，操作重復度高，數據記錄量大，無論是演示實驗還是讓學生動手實驗都很難調動學生的積極性。為了解決這個困境，可以參考德國卡爾斯魯厄課程教材中用橡皮筋指導學生制作測力計的方式，增加學生對實驗的興趣。考慮到教師的課堂教學時間，本實驗可以放在彈力之后作為胡克定律的引入實驗。

2.實驗改進方案

在《普通高中物理課程標準（2017年版）》中將“探究彈簧彈力和形變量的關系”列為必修課程中學生必做實驗，可見該實驗的重要性。同時新課標要求“教師可在一些物理實驗中創設情境，讓學生在觀察和體驗后有所發現、有所聯想，萌發出科學問題;還可在實驗中創設一些任務，讓學生在完成任務中運用科學思維，自己提煉出應探究的科學問題[3]。”進行胡克定律實驗之前，學生已經做過多個運動學實驗，具備獨立進行實驗操作和基礎的記錄和處理數據能力。筆者參考德國卡爾斯魯厄物理課程教材中胡克定律的實驗設計，基于我國教學內容和學生認知水平，提出以引導學生自主探究為基礎的胡克定律實驗改進方案。

2.1實驗目的

制作一個彈簧測力計，在制作過程中引導學生觀察彈簧拉伸長度和彈力的關系，同時引導學生理解測力計的設計原理。通過創設情境，安排任務增加學生進行實驗的積極性。

2.2 實驗設計及過程

總體設計分為三個層次：

層次一：定性探究，通過指導學生利用彈簧、刻度尺制作彈簧測力計，在制作測力計過程中引導學生注意測力計刻度與彈力之間的關系;

層次二：定量計算，通過彈簧測力計探究彈簧彈力和形變量的關系，得出胡克定律F=k·Δx;

層次三：在水平方向進行驗證性實驗。

（1）定性探究

創設情景：在測力計還沒有發明，力的測量單位還沒有確定下來的情況下，如何測量物體所受的重力？

提出任務：利用彈簧，米尺，木板制作一個測力裝置。

第一步：確定量度單位。教師以米尺測量木板長度為例子，引導學生在測量力的大小之前，需要確定一個基本單位。然后教師提出一個確定方法：先將一個彈簧固定在刻度尺的一端，并讓它在水平方向自然伸長，測出它在自然狀態的長度X0，如圖2。然后將彈簧拉伸5cm，我們規定彈簧伸長5cm時受到的拉力為一個單位的力。

第二步：標定更多單位。教師提出問題：在已經標定一個基本單位力的大小的情況下，如何在米尺上標定兩個單位力的大小，給學生一定的時間思考。然后教師請學生回答，將學生思路引導到以下方案：已知一個彈簧拉伸5cm時受到的拉力為1個單位，假如，我們將三個相同的彈簧連在同一個結點，用力拉伸其中一個彈簧直至兩個被拉伸彈簧的伸長量為5cm，拉伸過程中保證三個彈簧在同一水平線上。此時手拉住的彈簧就受到兩個單位的力，在刻度尺上就可以標記拉伸到

這個點的力是受到兩個單位的力，如圖3。用同樣的方式，并聯更多的彈簧，標定更多單位。此時彈簧和其固定的刻度尺就是一個測力計。

第三步：畫出標定圖像。當我們讓學生標記了六個單位的力之后，教師提出問題：如果我們知道彈簧伸長3cm，如何得出彈簧彈力的大小？讓學生思考，引導學生觀察刻度尺上每個單位之間的間隔。通過單位之間的間隔不變，得出每增加一個單位的力，彈簧的伸長量是相同的結論。此時學生就會聯想到彈簧彈力和彈簧的伸長量是正比關系，也就是說彈簧伸長3cm，彈簧彈力是0.6個單位的力。

（2）定量計算

由于高一的學生已經學過了一次函數，具備基礎的數學知識，教師先讓學生通過標準彈簧測力計讀出一個單位力的大小，然后讓學生以自制彈簧測力計上力的單位標記點為縱坐標，以拉伸到該點所用的力為橫坐標作圖，通過圖像可以得出表達式F=k·Δx并求出彈簧的勁度系數k。

（3）水平方向的驗證實驗

學生得出胡可定律的表達式后，教師可以通過用標準彈簧測力計測量彈簧彈力的方法驗證表達式是否成立。將標準彈簧測力計在水平方向上拉伸彈簧（在彈性限度內）到一定刻度X1，讀出此時的拉力F1。將X1-X0的差值帶入表達式中求得理論值F2，通過比較理論值和實際值驗證表達式是否成立。

3.總結與反思

自制測力計實驗在教學過程中創設情景，引發學生的探究興趣，滿足學生對于物理學習中自主探究和動手實驗的想法。與傳統的懸掛法實驗相比，減少實驗步驟和數據處理量，突破了胡克定律演示實驗搬運道具的困難。從學生的認知水平出發，實驗分為定性和定量探究兩個部分，思路清晰，循序漸進。

本實驗用的是實驗室常見器材，利用彈簧和刻度尺，器材簡單，直觀度高，便于學生理解實驗的本質。同時可以將彈簧改為橡皮圈，利用橡皮圈和刻度尺制作測力計，運用生活器材進行實驗，能夠解決因實驗器材匱乏而難以開展實驗的難題，用作圖法處理數據方便快捷。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2017. 12

[2]常克義.關于胡克定律演示實驗的改進研究[J].中國教育技術裝備， 2016， 09： 143～144.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017. 53

作者簡介：

景行行止（1993.3-），浙江湖州人，碩士在讀，研究方向：國外教材研究。