把握力學實驗考點 促進學生深度學習

江蘇 呂 琪

2019年的《普通高中學業(yè)水平測試》(選修科目)說明中能力要求的第5點就是“實驗與探究能力”，既要求學生能夠獨立完成實驗與探究的內容，明確實驗目的，理解實驗的原理和方法，又要求學生能在實驗中，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，對解決問題的方式和問題的答案提出假設，還要求學生能制訂實驗方案，對實驗結果進行預測。能運用已學過的物理理論、實驗方法和所給的實驗儀器去解決問題，包括簡單的設計性實驗。

這樣的能力要求與物理核心素養(yǎng)中實驗探究素養(yǎng)的要求相符合，而如何培養(yǎng)這樣的能力和素養(yǎng)，則應該以學生為中心，教師通過教學內容的整合，逐步進行深度學習。

一、近幾年高考力學實驗題命題熱點分析

表1 2019全國卷力學實驗題的考核內容

表2 高考物理力學實驗題全國卷近3年的考核內容

表3 高考物理力學實驗題江蘇卷近10年的考核內容

續(xù)表

從以上表格中的考核內容可以看出，全國卷的物理力學實驗考核內容傾向于勻變速直線運動的研究，例如，用打點計時器研究小車在斜面上的運動，并利用這一運動拓展測量動摩擦因數(shù)、重力加速度等物理量。而江蘇卷的命題更寬泛，除了力與運動的實驗，還經(jīng)常考查動能定理、機械能守恒等原理和操作要求更高的實驗，給考生的復習提出了較高的要求。綜合看來，無論是全國卷還是江蘇卷，實驗情境都是學生學習中接觸過的，要求學生利用已學的知識和方法，遷移解決新問題。

二、深度學習對于高考力學實驗復習的指導意義

深度學習是一種基于理解的學習，是指學習者以高階思維的發(fā)展和實際問題的解決為目標，以整合的知識為主旨，積極主動地、批判性地學習新的知識和思想，并將它們融入原有的認知結構中，且能將已有的知識遷移到新情境中的一種學習。

力學實驗中常出現(xiàn)的小車-軌道的實驗裝置，可用來研究勻變速直線運動、探究“加速度與力、質量的關系”，還可以用來探究“做功與動能變化的關系”以及“驗證機械能守恒定律”。通過整合這一實驗裝置在不同實驗中的作用，比較和分析不同實驗需要滿足的條件，在批判性思考中體會實驗探究的方法，從而在原有知識的基礎上不斷建構、遷移、應用新的知識。

【例1】利用圖1所示裝置研究小車的勻變速直線運動。實驗中必要的措施是

( )

A.細線必須與長木板平行

B.先接通電源再釋放小車

C.小車的質量遠大于鉤碼的質量

D.平衡小車與長木板間的摩擦力

圖1

【答案】AB

【例2】利用圖2所示裝置驗證小車的動能定理，實驗時要保證滑塊受到的合力近似等于沙和小桶的總重力大小，沙和小桶的總質量應滿足的實驗條件是____________________，實驗時要保證細線拉力就是滑塊的合外力，首先要做的步驟是____________________。

圖2

【答案】沙和小桶的總質量遠小于滑塊的質量，平衡摩擦力。

【例3】利用如圖3所示的裝置來驗證由小車與鉤碼組成的系統(tǒng)機械能守恒。

圖3

(1)為盡可能消除摩擦力對本實驗的影響，使驗證結果盡可能準確，則小車質量M和鉤碼質量m的關系應該滿足________；

(2)A和B同學在做該實驗時，A同學認為只要采用平衡摩擦力的方法將摩擦力平衡掉就可以了，無須滿足(1)問中小車質量M和鉤碼質量m的關系，而B同學卻否認A同學的看法，你認為A同學的看法________(選填“正確”或“不正確”)，理由是________。

【答案】(1)M?m；(2)不正確；因為平衡摩擦力后，摩擦力仍做負功，系統(tǒng)機械能不守恒。

1.是否需要平衡摩擦力

例1研究小車的勻變速直線運動不需要平衡摩擦力，因為小車受到的滑動摩擦力是恒力，不會改變小車勻變速直線運動的性質。如果利用這套裝置研究加速度與物體受力之間的關系，為了使細繩上的拉力FT等于物體的合外力F合，就需要平衡摩擦力，同理，例2需要平衡摩擦力，這樣才能使拉力做功為合外力做功。例3的實驗情境要構造一個機械能守恒的過程，即使平衡了摩擦力，摩擦力還是做負功，機械能不守恒。所以這個實驗中平衡摩擦力是不能消除影響的。

同時，我們也需要關注器材的改進，若采用氣墊導軌進行實驗，由于空氣的阻力較小，可以忽略不計，此時便不需要平衡摩擦力，而是要調節(jié)氣墊導軌水平。

2.是否需要滿足M(小車或滑塊的質量)遠小于m(所掛物的質量)

例1的情境是研究勻變速直線運動，實驗設計只需要滿足小車能勻加速下滑即可，不需要滿足m遠小于M。如果例1是研究加速度與物體受力的關系，平衡摩擦力之后，對鉤碼分析有mg-F=ma，對小車分析有F=Ma，兩式聯(lián)立得mg=(m+M)a，可知如果鉤碼的重力近似等于小車的拉力，需要滿足m遠小于M。同理，例2驗證動能定理，本質是探究合外力做功與物體動能的關系，要保證小車所受拉力即合外力近似等于鉤碼的重力，滿足M?m。而例3中，生搬硬套就會導致截然相反的結論，為了盡可能減小摩擦力的影響，應該使拉力遠大于摩擦力，所以應該使所掛物的質量m遠大于M。

追溯例2本質，要滿足m遠小于M的條件，是為了使鉤碼的重力近似等于細繩中的拉力，如果進行器材改進，用力傳感器或彈簧測力計直接測出繩的拉力，如例5中圖4采用的裝置彈簧測力計可以直接測出繩中拉力，那么就無需滿足m遠小于M。或者選擇所掛物體和小車的系統(tǒng)作為研究對象，能直接測得合外力，也不需要滿足m遠小于M。

判斷是否需要平衡摩擦力、是否需要滿足m遠小于M，我們要關注實驗的目的，理解實驗測量什么，驗證什么。各實驗條件對比如下表4。

表4 小車-軌道模型實驗條件對比分析

3.圖象問題如何選擇

【例4】在研究小車的加速度a和小車的質量M的關系時，由于沒有始終滿足M?m(m為沙桶及沙桶中沙的質量)的條件，得到的圖象應是以下哪一個

( )

A

B

C

D

【答案】D

【例5】用如圖4所示的裝置探究加速度與力和質量的關系，帶滑輪的長木板和彈簧測力計均水平固定。以加速度a為縱坐標，以彈簧測力計的示數(shù)F為橫坐標，以下a-F圖象可能正確的是

( )

圖4

A

B

C

D

【答案】B

【例6】用圖5所示實驗裝置探究“恒力做功與動能變化的關系”。實驗中，小車在細繩拉動下從靜止開始加速運動，打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況，力傳感器記錄細繩對小車的拉力大小。

假設已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質量不滿足遠小于小車質量的條件，則從理論上分析，圖中正確反映小車速度v2與拉力對小車做的功W關系的是

( )

圖5

A

C

D

【答案】A

綜上分析，解決實驗中圖象關系一定要結合實驗的條件，推導出物理量之間的關系式，根據(jù)關系式判斷圖線是否過原點，斜率是否恒定，從而選擇正確答案，切不可死記硬背。

4.是否一定要測量物體的質量m

【例7】探究外力做功與物體動能變化關系的實驗裝置如圖6所示，根據(jù)實驗中力傳感器讀數(shù)和紙帶的測量數(shù)據(jù)等可分別求得外力對小車做的功和小車動能的變化量。除了圖6中注明的器材外，實驗中還需要交流電源、導線、刻度尺和________。

圖6

【答案】天平

【例8】若用圖8裝置用來探究恒力做功與滑塊動能變化的關系，且用鉤碼的重力來表示滑塊的合力。則對于該實驗裝置，你認為以下操作和要求一定要完成的是

( )

A.需要滿足鉤碼的質量遠小于滑塊和遮光條的總質量

B.通過滑輪拉滑塊的細繩在運動過程中必須保持與木板平行

C.要測出鉤碼的質量m

D.氣墊導軌左端應墊高以平衡摩擦力

【答案】ABC

圖7

圖8

例7題干中的描述“根據(jù)實驗中力傳感器讀數(shù)和紙帶的測量數(shù)據(jù)等，可分別求得外力對小車做的功和小車動能的變化量”，既然實驗要求測算出小車動能，根據(jù)公式計算小車的動能，就必須要測出小車的質量和速度。例8中用圖8的裝置“探究恒力做功與滑塊動能變化的關系”，題干中并未明確要求測出小車動能的具體數(shù)值，如果參考教材上利用橡皮筋“探究變力做功與小車動能的關系”實驗，也可以不測量鉤碼和小車的質量，通過掛的鉤碼個數(shù)不同，改變每次做功的倍數(shù)關系，即“倍分法”的思想，尋找1W，2W，3W…做功下，與小車速度v2的關系即可，筆者認為此處C選項并不必要，因此答案改為AB較為合適。

綜合上述分析，可以發(fā)現(xiàn)以上實驗中，只有表達式中質量可以約去或者利用質量的倍數(shù)關系即可得到結論時，才可以不測量物體的質量，大多數(shù)時候為了計算動能的具體數(shù)值，是需要測出物體質量的。

三、結語

深度學習實質上是結構性與非結構性知識意義的建構過程，也是復雜的信息加工過程，必須對已激活的固有知識和所獲得的新知識進行有效和精細的深度加工。通過以上四個方面的加工和思考，教師可以引導學生建立對力學實驗的知識結構、知識體系的整體認知，形成模塊化的知識，從而能夠促進學生的深度學習。