物理探究實驗如何科學實施

摘 要：關于“滑動摩擦力大小與物體間接觸面積是否有關”和“浮力大小與物體浸入液體的深度是否有關”的討論一直沒有停止，筆者站在科學思維的本質角度深入分析其中問題復雜的原因所在，提出了運用“控制變量法”進行科學探究時必須對物理量實行“分層級”管理的實施策略，教師到位而不越位的引導起到重要的作用，也是取得好的教學成效的關鍵.

關鍵詞：科學思維本質;控制變量;分層級變量;科學探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）04-0030-04

作者簡介：劉信生（1971-），男，安徽合肥人，本科，中學高級教師，研究方向：初中物理教育教學、創新實驗研究.

1 問題的提出

最近，物理微信群里的教師討論最多的問題是：“滑動摩擦力大小與物體間的接觸面積是否有關”“浮力與物體浸入液體深度是否有關”.有些老師說這些都是偽命題，依此設計出的實驗探究就是偽探究.筆者查看文獻發現，專家們也提出了許多不同的見解，而且設計出一些具體的實驗探究加以論證，有些專家之間觀點竟然是相左的，讓一線教師感覺無所適從，對物理實驗探究中學生的猜想和假設的科學性、有無設計實驗的價值感到有些迷茫.筆者對這些問題有自己的想法，愿與大家討論.

2 有關背景研究綜述，指出實驗探究的疑點

2.1 滑動摩擦力大小與物體間接觸面積是否有關爭論的產生

鄭青岳[1]老師在探究“繞繩問題”過程中發現可以增大繩子與纏繞物之間的接觸面積，摩擦力也增大了，但是他提出：這個實驗為“摩擦力隨接觸面積的增大而增大”的觀點提供了偽證.曹則賢[2]老師對這個問題卻提出相反的觀點：摩擦力是一種電磁相互作用，摩擦力來自粗糙表面之間微結構的咬合，這種均勻的咬合產生的摩擦力（滑動摩擦力）一定和接觸面積成正比.針對這兩種觀點筆者比較贊成后者，即當物體間產生壓強相同時（擠壓程度相同時），滑動摩擦力大小與接觸面積有關[3].

2.2 浮力與物體浸入液體深度是否有關的爭論的產生

初中物理中探究浮力大小與哪些因素有關的實驗本身并不難，但是對于是否與深度這一因素有關的討論一直沒有停止.羅國忠[4]老師對浮力與深度的關系的探究實驗的看法是：浮力與深度只是部分相關，而浮力與浸入體積（V排）完全相關.胡廣形和徐德友[5] 老師在探究完物體部分浸入和全部浸沒實驗后旗幟鮮明地指出“浮力與深度無關”的結論.季衛新[6]老師認為“深度”不是 “控制變量法”探究浮力真正的“影響因素（變量）”，“V排”才是真正的“影響因素（變量）”，所以“浮力與深度是否有關”是偽命題.

3 從探究滑動摩擦力實驗找到科學思維的本質，關注問題討論的焦點

通過以上兩個典型探究實驗案例的溯源，筆者認為必須要解決什么是實驗探究，什么是科學實驗探究;科學實驗探究的基本方法“控制變量法”，是初中物理實驗探究的科學思維之靈魂，是學生遨游未知物理世界的指南針.這里的變量如何去科學地界定，變量之間都是并列關系還是從屬關系，有無分層級進行探究的可能，都是大家值得思考的問題.

所謂“控制變量法”就是當一個物理量P與多個因素（變量）Y1、Y2、……Yn有關，為了探究P與其中任一個因素（變量）Yn的關系，其他因素（變量）控制不變.實質是把多因素變為單因素，且每次只改變一個變量是其最大的特征.對于探究滑動摩擦力的問題，筆者采用幾何證明題的思維推導方式——逆向思維分析法.初高中教材探究滑動摩擦力大小與物體間壓力和接觸面粗糙程度是否有關的實驗完全按照“控制變量法”的思維方法進行設計實驗并進行探究完成：（1）控制物體間接觸面粗糙程度不變，探究滑動摩擦力大小與物體間壓力的關系.（2）控制物體間壓力大小不變，探究滑動摩擦力大小與物體間接觸面粗糙程度的關系.筆者認為由滑動摩擦力公式f=μN得出滑動摩擦力大小與物體間的接觸面的粗糙程度和物體間的壓力（μ、N）有關，這是一級變量;根據壓力等于壓強乘以受力面積的關系，得出物體間的壓力N=F=pS，f=μN=μpS，壓力大小與二個量有關（p、S），可以認為這是一級變量的下一級，稱為二級變量（如圖1所示）.

為了探究滑動摩擦力大小與物體間的接觸面積到底是否有關，筆者的實驗設計理念是：物體間的接觸面積S是在滑動摩擦力一級變量壓力（N）的下一級，地位是二級變量，二級變量中的其余各量必須控制不變，另外除了與之對應的一級變量（壓力）外，其余的一級變量μ（物體間粗糙程度）也必須保持不變，這樣的探究才符合科學思維的規律性.即采用控制物體間接觸面的粗糙程度和物體間的壓強不變，探究物體間滑動摩擦力與接觸面積是否有關.

筆者根據學生提出的一個有關滑動摩擦力的現象：學生在平時使用抽桿式透明書皮文件夾收集試卷過程中發現在平時使用抽桿夾（或拉桿夾書皮）時，為了夾住A4紙質文件，將抽桿抽上書皮的過程中，手用的力越來越大;抽下抽桿過程中，手開始用力最大，然后手感覺用力越來越小，這是什么原因？下面我們對實驗進行改進，實施定量的探究.

器具的制作：

選 60cm×45cm的免漆木工板兩塊，重疊放置，用臺鉆在其四個角邊緣打上直徑2mm的孔，分別用 4根8cm長的螺釘穿孔，在螺釘上旋好螺母，將3套抽桿式透明書皮文件夾內分別夾住20張整齊的A4復印紙，然后將3套文件夾由高到低整體插入免漆板之間，最多露出板外約5cm，用螺絲刀分別擰緊螺母夾緊書皮夾.此時用燒紅的細鐵絲分別將文件夾的抽桿一端的背部打一小孔，再各自穿上等長棉線（方便測力計拉動）打上結， 最后用“F型快速夾緊器”將整個裝置固定在水平桌面上（如圖2所示）.

實驗步驟如下：

（1） 用量程為0-50N彈簧測力計，將系有細線的一根抽桿從透明書皮右端拉入后直至左端拉離，觀察測力計的示數最大值及變化情況.

（2）用彈簧測力計，將系有細線的兩根抽桿從透明書皮右端拉入后直至左端拉離，觀察測力計的示數最大值及變化情況.

（3）用彈簧測力計，將系有細線的三根抽桿從透明書皮右端拉入后直至左端拉離，觀察測力計的示數最大值及變化情況.

（4）比較各力的大小，得出實驗結論.

學生收集整理數據，發現每個步驟中抽桿從抽上書皮至抽出書皮的整個過程中，摩擦力是先增大（抽桿與書皮完全重合時最大）后減小，抽出的抽桿數越多，摩擦力越大.分析其中的原因是由于抽桿在整個過程中與書皮的接觸面積發生了變化，且變化的趨勢和測力計示數變化一致（如圖3所示：橫軸L為抽桿從右向左移動的距離）.因此得出結論：滑動摩擦力大小與接觸面積有關，接觸面積越大，滑動摩擦力也越大.

由二力平衡原理得測力計的拉力和滑動摩擦力大小相等.學生站起來總結：“實驗中文件夾的書皮之間的厚度一定，抽桿和書皮間的壓強p不變，由F=pS可知，書皮受擠壓的接觸面積發生變化，壓力也發生變化，所以通過改變物體間接觸面積實現改變物體間的壓力大小.”由此得出：物體間壓強一定時，物體間接觸面積越大，拉力越大，滑動摩擦力也越大.

綜上所述，基于傳統實驗基礎上另辟蹊徑，從另一個視角加以分析得出物體間滑動摩擦力大小與物體間接觸面積有關的結論.并且學生說出生活中也有許多類似的應用，例如學生通過母親在家里陽臺上曬被子用的防風夾的使用過程產生了靈感，又另外追加了一個創新實驗：在固定不銹鋼管上勻速拉動套有曬被專用弧形夾實驗（如圖4所示）.發現弧形夾數目越多，測力計的拉力越大，滑動摩擦力也越大.學生大膽提出質疑，進行實驗、收集證據，提出挑戰權威的實驗結論[4].

點評： 通過“控制變量法”這種科學實驗的基本方法以及分層級控制物理量的理念，可以指導學生基于猜想和假設設計實驗、實驗探究、得出科學結論.

4 運用科學思維模式設計探究浮力與深度實驗，找到思維的落腳點

滬科版和滬粵版教材中針對浮力大小與深度的關系都有意思相同的描述：“全部浸沒在同種液體中的物體所受浮力則跟物體浸入液體中的深度無關”，筆者覺得教材這樣處理非常合理，讓學生在探究浮力實驗中留下更加廣闊的思維空間.那么，當物體部分浸入時浮力到底與深度是否有關呢？目前，教師的說法都很不明朗，有不值得去探究的論斷.試想，我們所面對的是成長中的初中生，當有學生這樣描述他在游泳時的感受：在走向游泳池的時候，越往深處走動，感覺自己身體越輕，最后有飄起來的感覺.我覺得浮力與深度有關.這時候，我們老師直接告訴他這是一個錯誤的猜想，這樣對他的打擊太大.我們可以根據控制變量法設計思想，引導學生思考需要控制哪些物理量保持不變，需要改變和測量的物理量，然后設計實驗、選取器材、進行探究.教師一定要呵護孩子們這種探究熱情.因為這種可行性的實驗探究就是一種“真探究”.筆者在探究過程中，依據探究滑動摩擦力大小與物體間的接觸面積實驗中的思維模式得出探究方法：由浮力公式F浮=G排=m排g =ρ液V排g知道，浮力大小與液體的密度和物體排開液體的體積有關，這是一級變量;排開液體體積V排=Sh（為了方便學生理解，假設物體是上下粗細均勻的物塊），S為物塊的底面積，h為浸入液體的深度.這兩個量為二級變量（如圖5所示）.

若要探究浮力與物體浸入液體的深度之間的關系必須要控制一級變量液體的密度ρ液和二級變量物塊的底面積（橫截面積）不變，再選取器材并設計出可操作的步驟.

學生按照上文中的探究思路進行實驗操作，如圖6所示，在測力計下懸掛圓柱體鋁塊（底面積小，高度大一些），豎直且緩慢地浸入液體（水）中，觀察測力計示數的變化，發現鋁塊浸入液體越深，測力計示數越來越小，但是，當鋁塊全部浸沒后，測力計示數就不隨深度的變化而變化了.有些教師受教材束縛，為了表達自己的觀點，設計如圖7中的實驗：在測力計下懸掛長方體金屬塊（密度小且長和高相差較明顯的），在金屬塊平放和立放時，用記號筆在金屬塊上以水平中線做標記，這樣將金屬塊平放、立放浸入水中，使水平中線對應的液面都達到燒杯壁A點的位置，這樣金屬塊排開液體的體積都是物體體積的一半，但物體下表面所處的深度不同，以此來驗證ρ液和V排相同時，改變物體在液體中的深度，但是浮力卻相等，依據這一實驗就否定了浮力與深度有關的結論.

點評：針對初中學生思維特點，為了研究問題的方便，物塊的選擇都是較簡單的圓柱體、長方體模型，這是無可厚非的.當物塊部分浸入液體時，深度在增加，V排和浮力都在增加;當物塊全部浸沒后，深度雖然增加，但這是表象的，實質上是V排沒有發生變化，浮力也保持不變.筆者覺得問題出在“深度”這個物理量的提法和理解上，應該分物體部分浸入和全部浸沒兩種情況討論：當物塊部分浸入時，深度就是物塊下表面距離液面的高度;當物塊全部浸沒后，深度可以理解為物塊上、下表面到液面的距離之差，即物塊的高度（是一個定值），或者理解為物塊自身在液體中的“相對深度”（物理學中這樣的概念有很多，如電壓就是電勢之差，重力勢能的決定因素相對高度等），但是教師在平時教學中對深度的理解大部分都認為物塊上表面或者下表面（只選一個表面）距離液面的高度.就以圖7中的實驗為例，當物塊剛開始浸入至一半體積浸入液體的過程中，浸入的深度難道不在增加嗎？浮力不也在增大嗎？所以只用了一個特殊值（半值法）的案例就推翻了浮力與深度有關的結論顯然有失偏頗.因為未浸沒時“相對深度”在增加，浮力也在增大;全部浸沒后“相對深度”不變了，浮力怎么可能還增大呢？這觀點也符合從浮力產生的原因（浮力實質是液體對物體上下表面的壓力差）的角度加以解釋和論證，因此，筆者認為浮力大小與物體的“相對深度”是有關的說法比較合理.

5 教師到位而不越位地引導學生積極思維，科學探究沒有終點

在教學過程中，學生根據自己已有經驗和認知提出猜想和假設，教師是無法預測的，不能在教學過程中輕易否定他們，將自己所謂的“科學猜想”直接塞給學生，直至探究出教師自己想要的結論，就是所謂成功的探究.針對學生“那些不靠譜”的猜想：浮力大小與物體的形狀、物重、物體的體積、液體的多少等有關，教師可以用科學的方法加以引導和點撥：有些猜想通過生活常識就可以排除，學生無法直接判斷出來的教師可以追問：“真的有關嗎”“你的依據是什么”，實在解決不了的問題可以設計實驗，親手去探究.在討論物體的動能大小的決定因素的猜想中，有學生提出了與物體的“高度”有關的猜想，這很正常，教師在與學生的對話中就可以解決這一疑惑，師：小球從斜面高處滑下來目的是什么？生：為了使小球獲得較快的速度.師：很好，那么要使小球獲得速度還有哪些方法？生：可以用手指彈、用手扔、橡皮筋彈、彈簧推等方法.師：方法這么多，為什么我們選用從斜面下滑這一方法？生：其它方法無法比較速度的大小，斜面下滑方法能直觀地比較小球的初速度.在對話中學生有了收獲：改變小球在斜面下滑的高度是比較速度大小最好的一種手段，且各種手段的目的都是改變小球的速度，速度才是決定性的物理量.試想，教師動輒以“偽命題”“偽探究”來封殺孩子們的想象力是不可取的.

物理實驗探究活動并不是都是采用“控制變量法”.例如在新課“重力”教學中有教師提出“探究物體所受的重力的大小與哪些因素有關”的猜想，學生們首先提出：與物體的質量有關，也有學生提出與物體的密度、物體的體積、物體的形狀等相關因素有關.教師由G=mg=ρVg公式中得到啟發，物重G與質量m之間是一對一的獨立變量（也是一級變量），無法用控制變量法來探究，可以選用質量不同的蘋果、木塊、小鐵球和大鐵球等物塊進行驗證性探究;如果要探究重力的大小與物質的密度是否有關，則一定要控制物體的體積不變，反之探究重力的大小與物體的體積是否有關，則一定要控制物質的密度保持不變（ρ、V同屬于二級變量）.因此，這些“研究量”都是真正的“因素（變量）”，屬于科學探究實驗;至于物重與物體的形狀是否有關，浮力大小與液體的多少、物體的體積、物重、物體的形狀等是否有關，這些“研究量”不是真正的“因素（變量）”，可以說是探究實驗，因為它們得不出科學的本質規律.

6 結束語

控制變量法是物理實驗探究的基本方法和思路，如何充分發揮運用這一科學探究的法寶，對未知世界的物理問題進行深入的研究是一線物理教師的重要使命.對學生而言，教師是“先知先覺”的導師，一定要站在科學思維本質的角度，讓學生在學習物理知識的過程中，經歷與科學家進行相似的探究過程，少走不必要的彎路，探究出物理現象背后的“隱性”的物理規律.只有這樣才能促使學生主動獲取物理知識與技能，感悟科學探究方法，發展科學探究能力，真正落實物理核心素養.

參考文獻：

[1]鄭青岳，虞偉樂.和學生一起探究繞繩的摩擦[J].物理教師，2018，39（11）：57-58.

[2]曹則賢.摩擦力與接觸面積無關嗎？[J].物理教學，2019，41（10）：2-3.

[3]劉信生，張貴林，湯金波.基于物理深度學習的學生自主創新實驗教學策略與實施[J].物理教學，2020，42（04）：25-27+14.

[4]羅國忠.浮力難學難教的問題例析[J].中學物理教學參考，2015，44（Z1）：30-33.

[5]徐德友，胡廣形.彈簧秤如何正確調整？——以一道中考題錯誤調零說起[J].物理教學，2015，37（12）：38-39.

[6]季衛新.芻議“科學探究”的思維本質——由偽命題“浮力與深度是否有關”想到的[J].中學物理教學參考，2018，47（17）：33-36.

（收稿日期：2020-10-08）