基于教材實驗方案的改進與創新
—— 胡克定律的實驗研究

王馳明 王 芳

(安徽省蚌埠第一實驗學校，安徽 蚌埠 233000)

1 問題的提出

人教版《物理》必修1第3章“相互作用”第2節“實驗:探究彈簧彈力與彈簧形變量關系”是中學階段重要的探究實驗．用彈簧測力是力學測量的基礎,對于認識彈力、重力、摩擦力、浮力等概念具有重要意義,能幫助學生完成對力的初步認識,為今后學習力學知識打下必要的基礎．

圖1 常規實驗裝置

在實際教學和比賽中教師通常采用由鐵架臺、直尺等器材組裝而成的實驗裝置,該組裝置結構穩定性差、攜帶不方便,采集數據時誤差大,不便于開展實驗．同時該裝置采用彈簧豎直懸掛的方法進行實驗,由于彈簧自重的影響,實際上測量的不是彈簧彈力與伸長量的關系,而是彈簧彈力變化量與彈簧形變量的關系,很多教師在進行演示實驗時并沒有說明這一問題．

2 實驗方案改進

2.1 拉伸實驗的改進與創新

圖2 人教版教材實驗方案

人教版教材中彈簧的拉伸實驗是把彈簧水平放置進行實驗如圖2,細微的變化其實反映的是教材編者對于這一問題的重視,彈簧水平放置測量的才是彈簧彈力與伸長量的關系,受這一變化啟發筆者設計了如下這套探究“探究彈力與彈簧伸長量關系演示儀”如圖3所示,考慮到彈簧如果水平放置在桌面上拉動就會有摩擦的存在,而且水平放置觀察性也差,本設計采用豎直面內,水平懸掛輕質彈簧方式,將輕質彈簧一端固定,另一端通過細繩跨過定滑輪拉伸彈簧．輕桿初始位置與復印膠片上表示力的坐標軸重合,通過增加鉤碼(鉤碼質量50 g)可使彈簧的彈力成倍增加,輕桿也沿表示伸長量的橫軸移動,輕桿所在位置對應刻度即為伸長量,描繪出輕桿與水平虛線的交點,連接各點可得出彈力與伸長量的關系,省去記錄數據的環節,更換復印膠片可進行多次實驗．沿橫坐標移動的輕桿記錄了彈簧的形變量,縱軸表示彈力,與事先標注好的虛線(表示彈力大小)對應.

1. 儀器底座； 2. 立板； 3. 彈簧； 4. 復印膠片； 5. 滑輪 6. 砝碼鉤； 7. 鉤碼； 8. 豎直輕桿；9. 細線

改進1.用立板替代鐵架臺結構更穩定,攜帶方便,便于開展演示和分組實驗．

改進2.將彈簧由豎直放置改為水平放置克服自重對測量伸長量的影響, 解決很多教師在進行演示實驗中遇到的這一問題,真正測量彈簧彈力與彈簧伸長量的關系,體現和落實教材編者的思想．

改進3.采用豎直面內水平懸掛彈簧,克服摩擦力影響,實驗更準確．

創新1.用復印膠片替代坐標紙,便于投影同時也可將將兩張坐標紙重疊,通過采用不同彈簧分析兩條直線的斜率變化能較好的使學生明白彈簧彈力與勁度系數有關．

創新2.以彈簧原長末端為坐標原點建立直角坐標系,通過尋找輕桿和表示力大小的虛線交點連線直接擬合出彈力與彈簧伸長量的線性關系,省去記錄采集數據的環節,減小實驗誤差．

2.2 拉伸實驗的設計與創新

傳統教學缺乏壓縮實驗的方案,多數教師只演示拉伸實驗,在拉伸實驗的結論上直接給出壓縮結論,學生缺乏感性認識．為了解決這個問題,筆者利用實驗室常見器材設計了一套“探究彈力與彈簧壓縮量關系演示儀”如圖4所示,教學起到良好效果．

圖4 探究彈力與彈簧壓縮量關系演示儀

2.2.1 創新實驗設計

(1) 創新實驗裝置.

利用100 mL量筒、壓縮彈簧、鉤碼、復印膠片．將直徑比試管口徑略小的壓縮彈簧置入其中,在彈簧上端加一紅色墊片,以此位置為0刻度,向下遞增標出刻度．依次將鉤碼(鉤碼質量50 g)置于試管中壓縮彈簧,添加鉤碼可以使彈力成倍增加．每次紅色墊片所指位置對應的刻度即為此時彈簧壓縮量,直接將彈力大小和彈簧的壓縮量標注印有坐標系的復印膠片上．復印膠片的縱坐標表示彈力,橫坐標表示彈簧的壓縮量,結合數學知識得出彈簧彈力與彈簧壓縮量的關系．

(2) 實驗裝置創新點.

實驗取材方便,補充教材中沒有壓縮實驗方案的缺陷,可使學生動手實驗可以將抽象的物理知識直觀化,符合學生的認知特點．

實驗數據處理簡單,在求彈簧的壓縮量時將傳統的兩次讀數相減改成一次測量直接得到壓縮量,減少了測量誤差．

實驗操作方便,學生可以通過向試管中增加鉤碼的方法使彈力成倍增加,操作簡單易行．

用帶有坐標系的復印膠片替代表格收集數據直接作圖,結合數學知識更直接分析數據,同時也便于投影觀察圖像特點,把兩組用不同彈簧得到的圖片重合,便于學生了解圖像斜率與彈簧勁度系數之間的內在聯系．

3 實驗探究，分享成果

3.1 拉伸實驗的探究

圖5

輕桿初始位置與復印膠片上表示力的坐標軸重合,向砝碼鉤中依次增加鉤碼(鉤碼質量50 g)輕桿隨之移動,沿橫坐標移動的輕桿記錄了彈簧的形變量,縱軸表示彈力,描繪出輕桿與水平虛線的交點,用平滑曲線擬合得到表示彈簧彈力與彈簧伸長量關系如圖5所示,學生展示成果小組討論后,抽選代表分析圖像代表的意義,結合數學知識得出:彈簧彈力與彈簧的伸長量成正比．

3.2壓縮實驗的探究

圖6

依次將鉤碼(鉤碼質量50 g)置于試管中壓縮彈簧,添加鉤碼可以使彈力成倍增加．每次紅色墊片所指位置對應的刻度即為此時彈簧壓縮量,直接將彈力大小和彈簧的壓縮量標注印有坐標系的復印膠片上如圖6所示,學生展示成果小組討論后,抽選代表分析圖像代表的意義結合數學知識得出:彈簧彈力與彈簧壓縮量成正比．

圖7

得出彈簧彈力和彈簧形變量關系后,將兩幅復印膠片的直角坐標系重疊如圖7所示,通過引導學分析圖像的異同點進而使學生明白:彈簧的彈力不僅與彈簧的形變量有關,還跟彈簧的材料、長度、粗細等因素有關,自然得出胡克定律.

3.3 實驗結論

由彈簧彈力與彈簧的伸長量成正比，彈簧彈力與彈簧的壓縮量成正比得彈簧彈力與彈簧的形變量成正比.

胡克定律:在彈性限度內,彈簧發生彈性形變時,彈力的大小F跟彈簧形變量(伸長或縮短的長度)x成正比．

F=kx，

其中k——彈簧的勁度系數,單位:N/m, 由彈簧的材料和本身的幾何特性決定；x——彈簧伸長(或縮短)的長度.

4 結束語

物理是一門以實驗為基礎的的學科,注重培養學生的科學素養和創新能力,為此要求教師應會利用一些自制教具來輔助教學,把創新實驗和物理教學有機融合．教師進行低成本的實驗設計和開發走進課堂相比于數字化實驗更既貼近生活,同時可以鼓勵學生利用現有知識和身邊的器材積極參與到實驗的設計和操作中來,有意識的培養他們的探索能力和動手能力．自制的兩組實驗器材不僅得出彈力與形變量的關系還能通過兩幅復印膠片對比讓學生明白彈力大小與彈簧材料、長度、粗細等因素有關,實驗探究過程支撐了學生的建構活動,鼓勵學生在問題中思維,在情景中歸納,在實驗中發現,在活動中交流與合作．學生從中掌握了探究物理知識的方法,培養了科學實驗精神,吸收了抽象的物理知識,真正把素質教育和核心素養落到實處．