“探究影響物體動(dòng)能大小的因素” 實(shí)驗(yàn)之“四改”

吳秀銀

摘? ?要：本實(shí)驗(yàn)屬于人教版八年級(jí)物理下冊(cè)第十一章第三節(jié)的內(nèi)容，起到承上啟下的作用，是應(yīng)用控制變量法和轉(zhuǎn)換法的典范，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，促進(jìn)核心素養(yǎng)的落實(shí)。按教材設(shè)計(jì)方案選擇的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在幾個(gè)方面的不足，文章從原實(shí)驗(yàn)器材與方案的不足與如何進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果兩大方面進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)能實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)；改善；優(yōu)化效果

本節(jié)是人教版八年級(jí)物理下冊(cè)第十一章第三節(jié)的內(nèi)容，是做功知識(shí)的延伸，為能量轉(zhuǎn)化、能量守恒、內(nèi)能等知識(shí)做鋪墊，起到承上啟下的作用，通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)動(dòng)能的理解。按人教版教材上所選擇的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)存在幾個(gè)方面的不足，本文從改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、改善實(shí)驗(yàn)方法、改變實(shí)驗(yàn)步驟和改善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格等方面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行闡述。

1? 原實(shí)驗(yàn)存在的不足與問題

1.1? 實(shí)驗(yàn)裝置問題

人教版教材設(shè)計(jì)方案中實(shí)驗(yàn)器材有斜面、體積不同，質(zhì)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(dòng)能的大小。探究質(zhì)量對(duì)物體動(dòng)能的影響時(shí)選用兩個(gè)質(zhì)量不同（體積不同）的小球分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（1）小球下落高度跟物塊滑行距離沒有精確測(cè)量，不易對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)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(cè)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(shí)，不容易進(jìn)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(fā)生多次碰撞。

選取兩個(gè)質(zhì)量不同的小球時(shí)兩個(gè)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(zhì)量對(duì)物體動(dòng)能因素的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)難以保證質(zhì)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(fā)生二次或者多次碰撞，碰撞時(shí)造成的能量損失無法衡量，物塊滑行的距離不能準(zhǔn)確表示小球的動(dòng)能。

（3）小球與空心的長方體物塊在運(yùn)動(dòng)過程中可能發(fā)生偏移。

小球從斜面上滾下與長方體物塊碰撞時(shí)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(shí)很容易發(fā)生偏移。

1.2? 測(cè)量方法不夠完善

（1）無法同時(shí)呈現(xiàn)多次實(shí)驗(yàn)。

原實(shí)驗(yàn)方案中利用只有一個(gè)斜槽的斜面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)都需記錄下小球的質(zhì)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(duì)比。

（2）難以保證小球下落條件完全相同。

原實(shí)驗(yàn)方案中提到讓小球多次從斜面上由靜止開始滾下，實(shí)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(jìn)入水平面的速度，學(xué)生理解上存在困難。

利用小球下落的高度來表示小球進(jìn)入水平面的速度，小球下落的高度越高，則說明小球進(jìn)入水平面的初速度越大，小球下落的高度越低，則小球進(jìn)入水平面的初速度越小，這一點(diǎn)對(duì)于八年級(jí)的學(xué)生來說在理解上是存在困難的。

2? 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)器材如圖2所示，有帶刻度的圓弧形三道滑軌、三個(gè)相同的光控?zé)?、材質(zhì)相同，體積相同，質(zhì)量不同（空心）的若干個(gè)小球、三個(gè)相同的實(shí)心圓柱體、寬度可調(diào)的分割槽。利用小球從滑軌上下落推動(dòng)水平滑軌上的圓柱體的距離來表示小球的動(dòng)能。質(zhì)量不同的小球同時(shí)從滑軌上靜止下落，若光控?zé)敉瑫r(shí)亮起說明小球進(jìn)入水平滑軌的初速度相同，從光控?zé)袅疗痦樞虮容^小球進(jìn)入水平滑軌的速度。

2.1? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(cè)量三個(gè)小球下落的位置以及圓柱體滑行的距離，便于進(jìn)行比較。

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

將原器材中質(zhì)量不同，體積不同的小球改成同種材質(zhì)，相同體積但質(zhì)量不同（空心球，球壁厚度不一樣）的小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(dòng)能與物體質(zhì)量的關(guān)系時(shí)質(zhì)量是唯一的變量。將空心的長方體滑塊改成三個(gè)相同的實(shí)心圓柱體，盡量避免小球與實(shí)心圓柱體發(fā)生多次碰撞。

（3）圓弧形滑軌，避免小球與圓柱體發(fā)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(yùn)動(dòng)過程發(fā)生偏移。

2.2? 改善實(shí)驗(yàn)方法

（1）三軌同步實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象直觀。

改進(jìn)后可以利用三條滑軌同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象直觀明顯，易于對(duì)比，便于得出結(jié)論。

（2）寬度可調(diào)的分割槽，可改變小球下落高度，保證三個(gè)小球同時(shí)從滑軌上下落。

配置一個(gè)分隔槽，便于改變小球下落的高度，分隔條之間的寬度可調(diào)，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(shí)驗(yàn)時(shí)間。且能保證三個(gè)小球從滑軌上下落的條件相同。

（3）三個(gè)相同的光控?zé)簦苤庇^地比較小球到達(dá)水平滑軌初速度大小關(guān)系。

給三條滑軌進(jìn)入水平滑軌部分添加三套獨(dú)立的光控?zé)簟膶W(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備以及認(rèn)知能力上進(jìn)行分析，學(xué)生會(huì)知道在相同的條件下，小球通過相等的路程如果所用的時(shí)間也相等，則小球的速度也相等，所以在三條滑軌進(jìn)入水平滑軌部分添加三套獨(dú)立的光控?zé)簦ü饷綦娮瑁?，三個(gè)質(zhì)量不同的小球進(jìn)過各自的光控?zé)魰r(shí)若燈能同時(shí)亮起，則說明三個(gè)小球進(jìn)入水平滑軌時(shí)的速度相等?，F(xiàn)象明顯，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，易于理解。

2.3? 改變實(shí)驗(yàn)步驟

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在探究速度影響物體動(dòng)能時(shí)，將速度的大小轉(zhuǎn)化為光控?zé)袅疗鸬南群螅妊菔救齻€(gè)質(zhì)量相同或質(zhì)量不同的小球從斜槽同一高度同時(shí)靜止滑下，觀察三個(gè)光控?zé)敉瑫r(shí)亮起的現(xiàn)象，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖3所示）。將三個(gè)同種材質(zhì)、質(zhì)量體積都相同的小球從三個(gè)斜槽上不同的高度同時(shí)靜止滑下或者三個(gè)材質(zhì)、體積相同但質(zhì)量不同的小球從三個(gè)斜槽上相同的高度同時(shí)靜止滑下，記錄小球的質(zhì)量、下落位置以及圓柱體滑行的距離，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與論證，得出結(jié)論（如圖4所示）。

2.4? 改善實(shí)驗(yàn)記錄表格

原實(shí)驗(yàn)方案中沒有明確的記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格進(jìn)行設(shè)計(jì)（如表1與表2所示），對(duì)所記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證，便于得出正確的結(jié)論。

3? 教學(xué)反思及自我評(píng)價(jià)

物理課程是一以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程[ 1 ]，具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性等特點(diǎn)。2022版義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)探究做為物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一[ 2 ]，而實(shí)驗(yàn)是落實(shí)物理課程育人要求的重要載體。在“雙減”政策下，在實(shí)驗(yàn)課上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，根據(jù)學(xué)情及實(shí)際實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)原實(shí)驗(yàn)方案不足之處大膽提出，并進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，以實(shí)驗(yàn)課為載體，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與動(dòng)手操作能力、提高實(shí)驗(yàn)探究能力。培養(yǎng)質(zhì)疑、創(chuàng)新精神，讓學(xué)生感受到在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)操作過程所帶來的樂趣和成就感，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生利用本套改進(jìn)后的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以克服原實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)方案的不足，很好地突破了實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，較好地促進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效落實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 袁愛國.對(duì)影響動(dòng)能的因素探究實(shí)驗(yàn)的改進(jìn) [J].物理通報(bào)，2010（12）：89-90.

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