“探究影響物體動能大小的因素” 實驗之“四改”

吳秀銀

摘? ?要：本實驗屬于人教版八年級物理下冊第十一章第三節的內容，起到承上啟下的作用，是應用控制變量法和轉換法的典范，能有效地培養學生的科學探究能力，促進核心素養的落實。按教材設計方案選擇的實驗器材進行實驗，存在幾個方面的不足，文章從原實驗器材與方案的不足與如何進行優化實驗效果兩大方面進行闡述。

關鍵詞： 動能實驗；改進；改善；優化效果

本節是人教版八年級物理下冊第十一章第三節的內容，是做功知識的延伸，為能量轉化、能量守恒、內能等知識做鋪墊，起到承上啟下的作用，通過實驗加深對動能的理解。按人教版教材上所選擇的實驗器材進行實驗，發現存在幾個方面的不足，本文從改進實驗裝置、改善實驗方法、改變實驗步驟和改善實驗數據記錄表格等方面優化實驗效果進行闡述。

1? 原實驗存在的不足與問題

1.1? 實驗裝置問題

人教版教材設計方案中實驗器材有斜面、體積不同，質量不同的小球和空心的長方體物塊（如圖1所示）。讓小球從斜面上滾下，小球碰上物塊后能將空心的長方體物塊撞出一段距離，利用物塊滑行的距離表示小球動能的大小。探究質量對物體動能的影響時選用兩個質量不同（體積不同）的小球分別進行實驗。

（1）小球下落高度跟物塊滑行距離沒有精確測量，不易對比。

實驗中對小球下落的高度以及長方體物塊滑行的距離沒有精確的測量，如果小球下落的高度以及長方體物塊滑行的距離相差不大時，不容易進行比較。

（2）體積不同的小球受到空氣阻力不同。小球與空心物塊可能發生多次碰撞。

選取兩個質量不同的小球時兩個小球的體積也不同，體積不同的小球受到空氣阻力不同，這就造成在探究質量對物體動能因素的影響實驗時難以保證質量是唯一變量。且長方體物塊是空心的，小球與長方體物塊可能發生二次或者多次碰撞，碰撞時造成的能量損失無法衡量，物塊滑行的距離不能準確表示小球的動能。

（3）小球與空心的長方體物塊在運動過程中可能發生偏移。

小球從斜面上滾下與長方體物塊碰撞時的接觸面不大，難以保證空心的長方體物塊能一直保持沿直線滑行，物塊在滑行時很容易發生偏移。

1.2? 測量方法不夠完善

（1）無法同時呈現多次實驗。

原實驗方案中利用只有一個斜槽的斜面進行實驗，每次實驗都需記錄下小球的質量、在斜槽上下落的高度以及長方體物塊滑行的距離，這樣操作起來繁瑣，不夠直觀，不易對比。

（2）難以保證小球下落條件完全相同。

原實驗方案中提到讓小球多次從斜面上由靜止開始滾下，實際操作起來很難讓小球從斜面上靜止下落，難以保證三次小球從斜槽上下落的條件完全相同。

（3）用小球下落高度來表示小球進入水平面的速度，學生理解上存在困難。

利用小球下落的高度來表示小球進入水平面的速度，小球下落的高度越高，則說明小球進入水平面的初速度越大，小球下落的高度越低，則小球進入水平面的初速度越小，這一點對于八年級的學生來說在理解上是存在困難的。

2? 實驗的改進與創新

改進后的實驗器材如圖2所示，有帶刻度的圓弧形三道滑軌、三個相同的光控燈、材質相同，體積相同，質量不同（空心）的若干個小球、三個相同的實心圓柱體、寬度可調的分割槽。利用小球從滑軌上下落推動水平滑軌上的圓柱體的距離來表示小球的動能。質量不同的小球同時從滑軌上靜止下落，若光控燈同時亮起說明小球進入水平滑軌的初速度相同，從光控燈亮起順序比較小球進入水平滑軌的速度。

2.1? 改進實驗裝置

（1）帶刻度的滑軌可以精確記錄小球下落位置跟圓柱體滑行距離。

將原來的斜面改成用PVC管做成的三軌圓弧形滑軌，并在滑軌旁貼上刻度條，可以精確測量三個小球下落的位置以及圓柱體滑行的距離，便于進行比較。

（2）同種材質相同體積但質量不同（空心）的小球和三個相同的實心圓柱體避免二次碰撞。

將原器材中質量不同，體積不同的小球改成同種材質，相同體積但質量不同（空心球，球壁厚度不一樣）的小球進行實驗，可以避免因小球體積不同所受空氣阻力不同而造成的誤差，確保在探究物體動能與物體質量的關系時質量是唯一的變量。將空心的長方體滑塊改成三個相同的實心圓柱體，盡量避免小球與實心圓柱體發生多次碰撞。

（3）圓弧形滑軌，避免小球與圓柱體發生偏移。

將原器材的斜面改成圓弧形滑軌，用圓柱體代替原來的長方體滑塊，增加了小球與圓柱體的接觸面積比例，可以避免小球和圓柱體木塊在運動過程發生偏移。

2.2? 改善實驗方法

（1）三軌同步實驗，現象直觀。

改進后可以利用三條滑軌同時進行實驗，現象直觀明顯，易于對比，便于得出結論。

（2）寬度可調的分割槽，可改變小球下落高度，保證三個小球同時從滑軌上下落。

配置一個分隔槽，便于改變小球下落的高度，分隔條之間的寬度可調，可以多次改變小球在滑軌上下落的高度，降低操作難度，縮短實驗時間。且能保證三個小球從滑軌上下落的條件相同。

（3）三個相同的光控燈，能直觀地比較小球到達水平滑軌初速度大小關系。

給三條滑軌進入水平滑軌部分添加三套獨立的光控燈。從學生已有的知識儲備以及認知能力上進行分析，學生會知道在相同的條件下，小球通過相等的路程如果所用的時間也相等，則小球的速度也相等，所以在三條滑軌進入水平滑軌部分添加三套獨立的光控燈（光敏電阻），三個質量不同的小球進過各自的光控燈時若燈能同時亮起，則說明三個小球進入水平滑軌時的速度相等。現象明顯，符合學生的認知發展水平，易于理解。

2.3? 改變實驗步驟

引導學生進行分析，設計實驗，在探究速度影響物體動能時，將速度的大小轉化為光控燈亮起的先后，先演示三個質量相同或質量不同的小球從斜槽同一高度同時靜止滑下，觀察三個光控燈同時亮起的現象，再進行實驗（如圖3所示）。將三個同種材質、質量體積都相同的小球從三個斜槽上不同的高度同時靜止滑下或者三個材質、體積相同但質量不同的小球從三個斜槽上相同的高度同時靜止滑下，記錄小球的質量、下落位置以及圓柱體滑行的距離，再進行數據分析與論證，得出結論（如圖4所示）。

2.4? 改善實驗記錄表格

原實驗方案中沒有明確的記錄實驗數據表格，改進實驗裝置后，引導學生對實驗數據記錄表格進行設計（如表1與表2所示），對所記錄的實驗數據進行分析論證，便于得出正確的結論。

3? 教學反思及自我評價

物理課程是一以實驗為基礎的自然科學課程[ 1 ]，具有基礎性、實踐性等特點。2022版義務教育物理課程標準中科學探究做為物理學科核心素養之一[ 2 ]，而實驗是落實物理課程育人要求的重要載體。在“雙減”政策下，在實驗課上引導學生進行分析，根據學情及實際實驗內容設計實驗方案，對原實驗方案不足之處大膽提出，并進行改進與創新，以實驗課為載體，培養學生的問題意識、增強實驗設計與動手操作能力、提高實驗探究能力。培養質疑、創新精神，讓學生感受到在實驗設計到實驗操作過程所帶來的樂趣和成就感，增強學習興趣。學生利用本套改進后的器材進行實驗，可以克服原實驗器材與實驗方案的不足，很好地突破了實驗的重難點，優化實驗效果，較好地促進物理學科核心素養的有效落實。

參考文獻：

［1］ 袁愛國.對影響動能的因素探究實驗的改進 [J].物理通報，2010（12）：89-90.

［2］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022版） [S].北京：北京師范大學出版社，2022.