淺談如何設計力學自主性學生實驗

◎江加全

一、以多測少，以少測多

不管什么類型的測量儀器均提前設定了測量范圍，一旦被測量數值超過了儀器的測量范圍，則會使測量數據出現較大誤差，不利于測量工作的順利開展，但如果使用分次測量的方法則可能出現更大差別。當被測量的對象小于儀器的最小刻度值時，測量不出一個有效的數據而無法得出較準確的實驗結果。遇到這種情況，就要采取“縮小”即以少測多，或“放大”即以多測少的方法。具體實驗時，要注意：

1.所測對象必須是“同類物質” 例如：要測量一顆麥粒的質量，顯然小于天平的最小刻度值而無法直接測量，這時就要測量幾十粒或幾百粒相同的麥粒質量，再如：用一把米尺測量兩地距離，顯然米尺不夠長，就可采用先測量正常行走的每一步長，再統計步數，實驗時就要求步伐大小相等，即保持正常步行。

2.“放大”或“縮小”后的測量對象，應滿足測量器材的要求 即小于儀器測量范圍而大于測量儀器的最小刻度值，也就是說要有一定的數量可改變。例如：測一枚硬幣的厚度時，就可用10枚相同硬幣地疊放，但要測量一張紙的厚度時，測量10張相同紙疊放的厚度就不行，根據每張紙的厚度，就應取幾十張紙疊放測量才有效。要指出的是，在采用“以多測少”時，實際上是提高了測量儀器的測量精度。

二、“比較法”進行測量

當使用測量儀器不能直接進行測量時，筆者認為可以利用類比的做法，要想合理應用這種方法，首先要確定“參照物”，如人們耳熟能詳的“曹沖稱象”就是應用了類比法。初中物理實驗中，在測量物體的密度時，人們通常會將水作為主要參照物。如要想測量橡皮泥與小酒杯的密度，但手中只有量筒和水，那么應該如何設計實驗呢？大多同學經過思考，可以順利得出測量小酒杯密度的方法，但思索不出測量橡皮泥密度的方法，筆者引導學生對上述二種物體的測量進行了對比，第一，都使用量筒；第二，都使用水；第三，二種物體的密度均高于水。只需將橡皮泥做成水杯的形狀，則可以順利解決上述問題。

三、等量替代原理

當測量器材無法直接測量時，就要設法用可以直接測量的物理量來取代不能直接測量的物理量。采用此方法時，唯一要注意的是直接測量的與不能直接測量的物理量之間要有內在的聯系，找到這種內在的聯系，也就完成了實驗的設計。內在的聯系一般可從數學和物理兩方面去找?？梢哉f“等量替代”的思想是物理實驗成功的最根本、最重要的思路。物理學中的相關定律、定理、公式、原理都是以替代思維成立的基礎為出發點的。例如：測量固體的體積，在有量筒或量杯時，可采用“排液補差”法直接測量。但沒有量筒或量杯時，對于規則物體可用刻度尺去測量它的幾何尺寸，再進行體積計算，對于不規則的物體，可用彈簧秤和水，通過測量浮力大小，結合阿基米德原理F?。溅岩篻V排（全部浸沒），得出V排＝F浮/ρ液g等方法。因此熟悉各個物理量原理是用好“等量替代”法進行自主性實驗設計的關鍵。

在設計實驗過程中，要求實驗環節切實可行，要保證得到準確的實驗數據，實驗環節設計不要過于復雜。

合理確定實驗步驟可以保證實驗操作的順利進行，得到準確數據。如在擁有天平、量筒、燒杯的情況，要求測量液體的密度，那么應該將測量杯子質量與測量杯子液體質量哪一個放在前面呢？利用與量筒中液體體積對比，則得到應該先測量燒杯與液體的質量，再測量剩余液體的質量，在計算得出二者之差后，即掌握了燒杯中缺少液體質量，讀出量筒中液體的體積，即為燒杯中缺少液體體積，可以將實驗中出現的誤差降到最低。

四、控制變量法

在初中物理教學中還有許多概念或規律之探索和推導的實驗過程中，都運用了“控制變量法”這一科學方法，用“控制變量”去分析和解決的實際問題是很多的，這就為這一科學方法的教學和應用提供了很好的機會。如在引導學生探索“導電體中電流大小同其兩端電壓大小和其電阻大小之間的定性關系，最終得出歐姆定律”和探索“力的作用效果同力的哪些因素有關，最終得出力的三要素”等實驗過程中都用到了這一科學方法，使學生對“控制變量法”不斷加深理解，并逐步達到有意識地去應用的目的。

如下面的習題：水與煤油的質量相同，如果對二者放出相同的熱量，那么哪一種物體的溫度較高？學生在看到這個習題時，會覺得解答存在一定的困難，在短短的幾句話當中應用了四個物理量，要想得到哪一種物體升高的溫度大，則需深入研究其他三種物理量共同作用產生的后果，一旦不能選擇合理的研究方法，那么在解決這一問題過程中則會遇到諸多困難，而且得到的結果也可能存在一定的誤差，但如果教師能夠引導得法，鼓勵學生應用物理實驗中的科學方法解決實際問題，從而將物理學習與實際應用結合在一起，學生在相互討論與共同研究的基礎上，有的學生提出可以應用“控制變量法”融入公式Q＝cmΔt，能夠順利完成此題的解答，學生是這樣思考的：此問題要求學生得到Δt的變化情況，可以先改變公式為Δt＝Q/cm，再對題中所給的條件進行研究，可以得到二個物體的質量與吸引的熱量是相同的，那么Δt的變化只需研究物體的比熱即可，而且利用深入觀察Δt＝Q/cm，發現Δt隨著c的增大而減小，依據物理知識得到，水的比熱要高于煤油的比熱，所以可以在此基礎上輕松得到煤油升高的溫度大.在初中物理（如在力學、電學、熱學）中，可用“控制變量”這一科學方法去分析解決的實際問題還很多，這就為學生靈活應用這一科學方法解決問題提供了保證。

［1］李榮江.力學自主性學生實驗的幾種特殊測量方法［J］.貴州教育.2005年9期