“測量紙錐下落的速度”實驗創新設計

江蘇省無錫市鳳翔實驗學校(214000) 胡玉蓮

“測量紙錐下落的速度”是蘇科版初中物理教材八年級上冊第5章第2節的內容，它是初中生接觸到的第一個完整的測量和計算類實驗。實驗目的是：讓學生了解測量速度的基本方法，會用刻度尺和秒表測量做直線運動物體的速度；進一步認識多次測量求平均值的方法可以減少誤差[1]。教材對于該實驗的描述僅三句話：①要測量紙錐下落的速度，你認為需要測量哪些物理量？②你選用的實驗器材？③請你設計一個實驗數據記錄表，然后測量并計算紙錐下落的速度[2]。這就從實驗器材選取和實驗教學設計等方面給教師留了很大的空間。

1 實驗存在的問題

筆者在線下和線上聽了很多節有關該實驗的課，老師們的實驗設計幾乎都是：A同學拿著紙錐將紙錐從某一高度釋放并發出信號；B同學用米尺測量高度；C同學聽到信號開始計時，看到紙錐落地停止計時。這樣的實驗存在的問題頗多。

1.1 時間測量

上述實驗時間測量誤差較大，主要是由以下幾個原因造成的。一方面，由于紙錐下落的高度較低，加上普通材質紙做成的紙錐質量太大，下落速度太快，導致紙錐下落時間太短；另一方面A同學釋放紙錐的同時發出計時信號，C同學聽到信號后才按下秒表開始計時，中間有一段人的反應時間[3]。也就是開始計時無法與紙錐開始下落瞬間同步，導致了時間測量的誤差。另外，C同學站的高度稍高，使停止計時無法與紙錐落地瞬間同步，也增加了時間測量的偏差。

1.2 高度測量

由于米尺最多只能測量1 m的長度，所以實驗中釋放紙錐的高度選擇都比較低，當選擇較高高度時只能用米尺先測一段再“騰空”做標記再測一次，這樣增加了高度測量的困難。另外，本實驗需要選定某一高度再多次測量時間，以達到多次測量求平均值減少誤差的目的，所以需要將紙錐固定在某一位置，但是學生用手不太容易固定，這也增加了高度測量的偏差。

2 創新實驗設計

2.1 器材準備

為解決以上時間測量和高度測量上存在的問題，筆者設計了一種新的“電控裝置”。準備以下器材：直徑2.5 cm、長1.3 m的PVC管1根，直徑2 cm、長1 m、23 cm、15 cm的PVC管各1根，轉接頭2個，定電壓6V、可吸5 kg電磁鐵1個，3 m長導線2根，厚透明膠、厚雙面膠，橡皮筋，單刀單擲開關，電池盒，1號干電池2節，鐵架臺，高級擦鏡紙，圖釘，實物如圖1所示。

圖1 實驗器材

2.2 電控裝置和紙錐制作

(1)將直徑2 cm、長15 cm的PVC管一端打磨光滑，再開一小口，以便電磁鐵導線放入；將電磁鐵的螺帽先固定在電磁鐵中，用厚透明膠粘在電磁鐵金屬片的一面，并與光滑的PVC管緊緊相連；將2根導線與電磁鐵接線端相連，如圖2所示。

圖2 步驟(1)圖示

(2)用轉接頭將直徑2 cm、長23 cm和直徑2 cm、長15 cm的2根PVC管連接，并將導線放入其中；在直徑2 cm、長1 m的PVC管上套上厚的橡皮筋，用轉接頭將直徑2 cm、長23 cm和直徑2.5 cm、長1.3 m的PVC管連接，并將導線放入，再將直徑2 cm、長1 m管放入直徑2.5 cm、長1.3 m管中，最后將直徑2.5 cm、長1.3 m的PVC管固定在鐵架臺上，如圖3所示。

圖3 步驟(2)圖示

(3)用厚雙面膠將開關固定在鐵架臺上，連接好開關和電源，如圖4所示。

圖4 步驟(3)圖示

用普通材質的紙制作的紙錐下落速度太快，且運動軌跡不是一條直線。因此，筆者建議選取高級擦鏡紙來做紙錐，將其制作成半徑8 cm、錐角60°～70°左右的紙錐，這樣的紙錐下落速度更慢、且運動軌跡近乎直線。由于要做電控裝置，所以需要在紙錐底部固定一鐵片，經過筆者大量試驗，發現圖釘是最好的材料，將圖釘尖用老虎鉗掰掉，再用錘子將圖釘砸平，用少量雙面膠將圖釘帽粘在紙錐頂部，如圖5所示。

圖5 紙錐的制作

2.3 器材使用原理及優點

本器材主要是利用了電磁鐵“通電有磁性，斷電無磁性”的原理。實驗時先將橡皮筋固定到某一位置，即可將電磁鐵固定，進而將紙錐固定在較高的高度，所以橡皮筋的作用是調節和固定紙錐下落的高度。開關閉合，電磁鐵通電有磁性，吸引紙錐底部的圖釘從而將紙錐固定在較高的高度。注意：這里為了避免電磁鐵中間的螺絲被磁化，我們選擇2節1號干電池即讓電磁鐵實際電壓為3 V即可。待A同學用卷尺測量好高度，B同學在地上較低位置一手斷開開關(紙錐立馬下落)，在斷開開關的同時一手開始計時，這樣就可以做到計時與控制紙錐下落是同一人，且能同步，減少了由于人的反應時間帶來的時間測量誤差；又因為B同學可一直在地上較低位置，所以也比較容易做到停止計時與紙錐落地同步。再次把開關閉合，將紙錐固定；斷開開關，開始計時；紙錐落地，停止計時，如此重復多次即可。

本電控裝置操作方便，設計簡單，能將紙錐固定在某一較高的高度；能使操作紙錐與計時由同一學生完成，減少由于人的反應時間帶來的誤差；且計時員一直在較低的位置，可更清楚更方便看到紙錐落地瞬間，既降低了學生實驗的難度，又提高了實驗的準確度。

3 結語

目前初中物理實驗教學存在著諸多的難題。由于實驗現象不明顯，實驗比較“難”做，老師和學生都出現了“畏難”情緒，從而對實驗的熱情和興趣不高[4]。由于應試教育，老師要“趕進度”，學生要“抓分數”，所以部分老師會用“講實驗”代替“做實驗”，最終導致學生動手能力差，缺乏科學探究，從而在培養學生核心素養這一部分有所缺失。解決這些難題的有效途徑就是對實驗進行創新，幫助學生降低實驗難度，提高實驗效率，培養對實驗的興趣，掌握科學的實驗探究方法，培養科學思維。