自制多功能力學測量計，創新改進物理實驗教學

摘要：自制的多功能力學測量計有三大功能，可測浮力大小、液體密度、固體體積，填補了力學中集成性測量工具的空白。它從全新的角度為我們提供了測量的新方法、新思路。與課本現有的測量器材相比，它有著操作方便、測量精確、資源節約、高度集成等優勢。它能助力實驗的創新教學，使許多分組實驗能夠有效開展，甚至可達到讓學生自主探究的程度，給物理實驗的學習帶來了更好的體驗，能收到更好的課堂效果，有利于構建整體性的知識體系，從而真正落實物理學科的核心素養。

關鍵詞：多功能" 測量" 實驗教學" 創新改進

課程最核心的要素就是課程的組織者——教師，一切現成的教學資源都需要教師合理地取舍，以及創造性地重組或集成。電學中的萬用電表集成了電流、電壓、電阻等多種物理量的測量，這個工具給電路的檢測、維修和安裝帶來了很大的方便。可是在力學中，卻沒用相應的集成性的測量工具。于是通過一段時間的研究，筆者發明了多功能力學測量計。它給物理力學實驗的教學帶來了更好的體驗，收到了更好的課堂效果。下面介紹多功能力學測量計的功能及原理，以及它對實驗教學的改進和優化。

一、多功能力學測量計的功能及原理

多功能力學測量計的制作是在普通的彈簧測力計的主體上通過巧妙改裝實現的，如圖1所示。它集成了浮力測力計、液體密度計、固體體積計三種功能。

（一）浮力測力計

它由普通的彈簧測力計改裝而來。因為F浮＝G-F′，而同一物體物重不變，F浮與F′有著線性關系，所以改裝是可行的。根據上述公式可知，浮力的變化量與F′的變化量相等，所以兩者的分度值相等，在原來的刻度板上重標刻度值就可改裝成浮力測力計。因為不同物體，當浮力為0時，指針位置不相同，所以每次使用前需校零。考慮到這個實際情況，筆者單獨制作刻度盤，而且采用磁性材料，同時在原測力計的主體位置包上鐵片。這樣，具有磁性的刻度板可吸附在鐵片上，方便上下移動刻度板的位置來實現校零。

（二）液體密度計

在V排一定時，F浮與ρ液成正比。因為F浮與ρ液二者有著線性關系，所以浮力測力計還可被進一步改裝成液體密度計。為了方便，它使用時需搭配100 cm3的指定物，如圖2所示。液體密度計主體部分與指定物二者之間的關系，有點像桿秤與秤砣的關系。另外，在使用液體密度計時，該“秤砣”需要浸沒在待測液體中。在改裝中筆者通過計算發現，浮力的刻度值，也就是待測液體的密度值，比如，F浮＝0.8 N，則

ρ液＝F浮gV排＝0.8 N10 N/kg×（1×10-4 m3）＝0.8×103 kg/m3=0.8 g/cm3

計算發現所測液體密度為0.8 g/cm3。這樣在浮力的基礎上，只需換個單位，就可得到液體密度。于是筆者按1∶1的比例復制了一塊浮力測力計的刻度板，并將單位換成g/cm3，改裝成了液體密度計。因與它搭配的“秤砣”是指定的，所以它的零刻線位置是確定的。

（三）固體體積計

在ρ液一定時F浮與V排成正比，而且當待測物體浸沒時V排=V物，可見F浮與V物之間有著線性關系，所以浮力測量計還可被改裝成固體體積計。為了方便，最好搭配純水這種液體來使用。比如，F浮＝3 N，則

V物＝V排＝F浮ρ水g＝3 N1×103 kg/m3×10 N/kg＝3×10-4 m3=3×100 cm3

通過計算發現原本浮力刻度值乘以100 cm3，就可得到固體體積。測量前它需要校零，然后將所掛的待測物體浸沒在純水中，這樣就能測出物體體積。考慮到工具的集成性要求，筆者讓固體體積計與浮力測量計共用同一塊刻度板的刻度線，但在刻度值、單位等方面上分開進行了不同的標注。

二、多功能力學測量計對實驗教學的改進與優化

（一）在“液體密度測量”實驗中的妙用

以前對液體密度的測量，一般使用密度計這一工具。它有著諸多缺點：其一，它是玻璃器皿，屬于易碎品，在學生分組實驗時常被打壞。其二，它的形狀細長，為了有足夠的V排來實現漂浮，需要較大的容器，比如盛液桶，故它對燒杯所盛的液體一般無法完成密度測量。其三，它的刻度不均勻，若所測液體的液面在兩條刻線間，要做到合理估讀困難很大，這樣造成測量誤差大。

多功能力學測量計可以避免上述全部缺陷：組成它的材料是金屬和塑料，不是易碎品；它的“秤砣”大小只有100 cm3，完全可以放進燒杯中來完成液體密度測量，所用液體少，不浪費；ΔL（彈簧伸長量）與F′（測力計示數）有著線性關系，F′與F浮有著線性關系，F浮與ρ液（液體密度）可成線性關系，故ΔL與ρ液有著線性關系，這樣多功能力學測量計的密度刻度值分布是均勻的，有利于精確讀數。

（二）在“固體體積測量”實驗中的妙用

測量類實驗的一個追求就是想方設法減小誤差。不規則固體的體積，一般借助量筒來間接測量，常見做法有排水法、溢水法、加水法等。這些做法有共同的缺點——水轉移或二次測量讀數，水轉移會造成殘留之類的系統誤差變大，二次測量會導致讀數上的偶然誤差變大。

而用多功能力學測量計測量固體體積時，鉤住待測物體，然后將待測物體浸沒在水中，僅需一次即可完成固體體積的測量，也不牽涉水轉移時殘留之類的問題，故能提高測量的精確性。

（三）在“探究浮力大小的影響因素”實驗中的妙用

“探究浮力大小的影響因素”是“浮力”這一章中的一個重點實驗，它的成敗也影響后續“探究阿基米德原理”的實驗。它在滬科版教材中的實施方案如圖3所示。

1.多功能力學測量計能突出實驗主題

在教學實踐中我發現，按照教材中的方案來開展“探究浮力大小的影響因素”這一實驗時，學生掌握的效果不太理想。學生觀察測力計示數F′，然后根據稱重法算出F浮。而F′、F浮兩個量的變化是相反的，部分學生尤其是中等偏下水平的學生容易弄混，這會造成干擾，增加學生理解的難度。

而多功能力學測量計能大大改善實驗效果。它能直接顯示浮力的大小，便于學生探究浮力大小的影響因素，淡化求解浮力大小這一次要知識，突出本實驗的探究主題，且降低實驗難度。

2.多功能力學測量計能得到定量結論

若按照教材中的方案來開展實驗教學，只能得出定性的結論，比如，在ρ液一定時，V排越大，浮力越大。而后續阿基米德原理的探究實驗要得出的是定量結論F浮＝G排。這樣兩個實驗在難度上跨度太大，不利于學生自主探究。甚至連“F浮與G排有何關系”這個問題的提出，都有點勉強。為什么這么說？按教材的編排，教師一般這樣講授——因為F浮與ρ液、V排都有關，所以應該與這兩個因素的乘積有關，從而引出問題。可是學生會有不同意見，可能會提出其他看法，比如，浮力與這兩個因素之和有關等。學生的意見有其合理性，因為本實驗得出的僅僅是定性結論，結論太模糊了。

為了避免上述困擾，那就需要本實驗得出定量結論。可要讓抽象思維能力不足的八年級學生根據數據得出定量結論，又比較困難。針對這個“兩難問題”，筆者認為直觀展現出定量結論才是解決之道。多功能力學測量計能測浮力大小、液體密度、固體體積（即浸沒時排開液體的體積），所以可同時呈現F浮與影響它的因素。這增加了直觀性，有利于學生得出浮力大小與液體密度成正比、與排開液體的體積成正比這樣的定量結論。聯想到F浮可能與這兩個因素的乘積有關，從而提出有效的問題，為探究阿基米德實驗鋪平了道路。

（四）在復習教學中的運用

復習課不能僅僅是舊知識的回爐，不能讓核心素養的培養缺席。2022年版物理新課程標準提倡大單元教學，倡導從整體上把握初中物理的章節教學，從而更有效地培育學生的物理核心素養。單元整體教學是一種先進的教學方式，其是以大概念為核心引領，以學生為中心，強調對內容的廣泛組織和深入探究，結合學科特點，統整組織學科課程內容，以整體的視角來調整復習內容，形成具有結構性、關聯性、綜合性、系統性的教學。教師應該在復習中打破教材現有的章節先后順序，重新組織和構建復習板塊，凝聚所有相關聯的知識點，創設交叉性的教學情境或載體，整體性地開展單元復習教學，助力學生構建縱橫交錯的知識網絡。

老版滬科版物理教材將“密度”與“浮力”編排到同一章內，且讓學生在八年級的第二學期完成學習。后來考慮到第一學期學習任務過輕、第二學期學習任務過重等，教材內容被拆分重新編排。新版滬科版物理教材將“質量與密度”這一部分內容剝離出來，放到了八年級第一學期。教材這樣編排出于多種考量，但就知識體系來說，這樣做割裂了“密度”與“浮力”，導致二者關系“疏遠”。

自制的多功能力學測量計是體現新課程理念、彌補教材不足的一個集成性的教學資源和載體，將“密度”與“浮力”有機聯系起來，有利于借此開展大單元復習教學。下面是相關知識板塊復習教學的一個教學片段。

1.探究式理解多功能力學測量計的原理

問題1：根據對電表改裝的了解，你們能說說普通的彈簧測力計為什么可改裝成浮力測力計嗎？浮力測力計在使用中需要注意什么？

問題2：在V排一定時，F浮與ρ液有什么關系？據此你們能想到浮力測力計可進一步改裝成測量什么量的工具？在改裝成液體密度計，為什么搭配指定的“秤砣”（即100 cm3的指定物）更方便？請通過計算說明。

問題3：在ρ液一定時，F浮與V排有著什么關系？倘若把待測物體浸沒在指定液體中，還能求什么量？進而可將浮力測力計改裝成測什么量的工具？為什么選擇純水作為指定液體時改裝更方便？請通過計算說明。

2.學生分組實驗

學生運用多功能力學測量計測量鹽水、酒精、鋁塊、鐵塊、大理石等物體的密度。

教師在上述復習教學中以多功能力學測量計為教學資源展開教學，讓學生理解該測量工具的原理，領略其創新之處，進而用這個新工具去完成測密度實驗，開辟測密度實驗的新思路，并在教材中割裂的“密度”和“浮力”兩個板塊之間建立有機聯系，建構知識網絡，提高學生的創新能力和發散思維，提升其物理核心素養。

三、多功能力學測量計的優點

其一，功能多且先進，可更好地測F浮、ρ液、V物等多個物理量，填補了力學中集成性測量工具的空白。

其二，有助于培養學生的科學思維，有助于構建深度聯系、整體性的知識網絡。多功能力學測量計既是一個測量工具，也是一種教學資源。它讓學生意識到除了可借助課本上所介紹的器材完成浮力、液體密度、固體體積等測量外，還有全新的方法。這一工具能激發學生的探索欲望，培養其發散思維。另外，這種資源在復習教學中可起到黏合劑的作用，在課本中原本割裂的不同板塊的知識之間建立有機的聯系，從而讓相關聯的知識點匯合，構成整體性的知識網絡體系。

其三，操作更簡單方便。比如，在浮力測量中借助多功能力學測量計可少拐一個彎，更便捷地測出浮力大小。再如，在測量固體體積時，可借助多功能力學測量計一次就完成。

其四，測量更精確。在液體密度、固體體積的測量中，多功能力學測量計減小了測量誤差，提高了測量精確性。

其五，助力課堂分組實驗和自主探究實驗。有了更先進的、更便捷的、更集成的多功能力學測量計后，許多分組實驗都能夠開展，甚至可達到讓學生自主探究的程度。比如，多功能力學測量計能直觀展現浮力與其因素的定量關系，大大降低探究難度，幫助學困生在突破難點上不掉隊，為后續阿基米德原理的探究實驗做好銜接和鋪墊，減少障礙。多功能學測量計為分組實驗甚至自主探究的開展提供了有力的保障。

其六，節約資源。多功能力學測量計具集成性，將多個功能集成于一身，做到一物多用，從而可節約資源。另外，它測液體密度時只需少量液體即可，也做到了對資源的節約。

四、建議

多功能力學測量計的三大功能，均是基于浮力測力計。所以在制作時，一定要把浮力測力計的刻度板做精確。而為了使浮力測力計校零方便，可將常規測力計的刻度等比例地復制到磁性板上。因為三大功能均是基于浮力測力計，因此可將三大功能集成在一塊刻度板上，做到物盡其用，節約資源。

該測量計的原指針較短，可考慮在原指針處焊接一根10 cm的細長鐵絲來延長指針。另外，該測量計的其中兩大功能——浮力測測量、固體體積測量——都需要實時校零，為了避免移動刻度板出現歪斜，可在測量計的側面沿豎直方向固定一塊木條，讓刻度板緊靠該木條上下移動進行校零。

五、結語

物理是一門實驗科學，物理定律的建立，無一不以實驗為基礎，并受到實驗的檢驗。多功能力學測量計的出現，是通過教具的創新改進來推動實驗教學的優化，其目的就是讓物理的核心素養落地，讓“科學探究”生根。

參考文獻：

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[2]劉龍華.立足單元整體教學，高效扎實一輪復習[J].教學考試，2023（36）：1.

責任編輯：黃大燦