對“探究動能與質量關系實驗”的商榷

莫 濱

(南京市第十八中學，江蘇 南京 210022)

1 引 言

影響動能大小的因素，在初中教材中是比較難以處理的知識點. 主要表現在探究動能與質量的關系時，如何控制速度相同. 就所能檢索到的各版本教材而言，處理方法不盡相同. 其中某些版本教材設計了探究實驗，但是其實驗反而不利于教學，因此有必要做進一步討論.

2 現有教材呈現方式

華東師范大學版科學教材、滬教版、教科版物理教材沒有涉及科學探究的過程，均是通過舉例來闡述，如表1所示. 其余各版本教材均采用控制變量法探究了動能與質量的關系，相關步驟列表對比如下，如表2所示.

表1 部分版本教材關于動能與質量關系的理論描述

表2 部分版本物理教材探究動能與質量關系的實驗步驟

續表

3 實驗設計的缺陷分析

從表2中可知，大多數是采用球體從斜面上滾下，撞擊下部平面上木塊. 上述一系列實驗步驟，總體上存在一些值得商榷之處.

3.1 運動路線大多不可控

大部分教材中的實驗可操作性較差，缺陷頗多：小球滾下時運動路線不可預設，不能確保正好撞擊木塊，甚至于有可能在斜面部分就已經滾離木板. 有學者為了克服這些缺陷，采用凹槽來限制運動軌跡[2-3]. 蘇科版教材的方法，采用的是讓小車沿斜面向下作直線運動，經過實驗發現，適當調試可確保小車正中撞擊木塊. 可以認為，蘇科版教材實驗處理比較科學.

3.2 木塊位移大多不可測

實驗中用小球撞擊木塊后，由于不能保證球撞擊木塊時產生的力，正好通過木塊的質心而只是向前平移，所以木塊可能還會在水平面上有轉動. 這樣球體撞擊木塊后，木塊偏向斜前方，小球滾向另一邊. 木塊偏離后，移動距離無法測量，實驗失敗. 為此，北師大版教材采用小盒正對斜面的一面開口，小球可滾入盒內，這樣可以避免小球滾向一邊. 這方面，蘇科版教材的方法最好，小車與木塊接觸面較大，基本上可以保證木塊被撞擊后只作平移，便于比較前進路程大小.

3.3 下降相同高度難保證

如何控制球體下降高度Δh相同，各版本大多存在問題. 北師大版和粵滬版采用不同質量小球，但是沒有說明其體積是否相等. 若相等Δh很好控制，若不相等則問題復雜了. 體積不同的球體，相同高度如何理解？是質心高度h相同？還是質心下降高度Δh相同？正確的理解應該是質心下降高度Δh相同，但是又陷入新的困境：1)質心是高中內容，初中生無法理解. 2)為了確保Δh相同，應該在實驗時，先放置一個物體，用于定位不同小球起始位置. 圖1所示是正確方法，水平放置的物體AB承擔球體重力，球易在物體AB上隨機滾動，這時球和斜面之間無作用力. 人為控制移走AB，很難保證球體就是從此位置以v0=0開始加速. 實際實驗時通常采用的是圖2所示方法來定位. 球體半徑越小，球的最下部的位置越低，小球下降到斜面底端時下降高度Δh也越小. 若看作質點，則球體就在A點，Δh最小. 這種做法未能成功控制小球處于相同高度.

圖1 定位相同高度的正確方法

圖2 通常定位相同高度的錯誤方法

人教版實驗冊采用的是“體積相同的鐵球、塑料球”. 理論上沒有缺陷，但是實際上要教師找到符合條件的鐵球、塑料球實屬不易.

滬科版教材中，木球、鐵球質量要求沒有說明，木球在現實生活中不好找，找到體積一樣的木球、鐵球更不易，這陷入北師大版和粵滬版同樣的困境.

蘇科版采用的方法最簡潔可行. 小車上加配重即可改變質量，將配重固定即可保證質心下降高度Δh相同. 由于小車加了配重，質心位置一般會改變，當小車從斜面過渡到平面時，質心再次下降的高度一般不同，需要根據質心位置、斜面傾斜角度等具體數據才能分析，一般不再考慮.

依筆者觀點，建議將上述小球、小車改為測量固體密度常用的圓柱體. 圓柱體組形狀相同，可保證質心高度、質心下降高度Δh均相同. 圓柱體材料不同，可滿足質量不同的要求. 圓柱體運動路線容易調整，可避免出現中途偏離的情況，同時撞擊木塊時，也比較容易控制木塊的平移.

3.4 相同速度難解釋

有的教師采用口頭再三強調的方法來灌輸：高度相同目的是保證速度相同. 有的教師采用多媒體視頻拍攝，然后慢鏡頭回放，但是在課堂上當堂完成不現實，事先錄制、編輯又缺乏可信度.

上述諸版本教材的思路均為：從2個相同的斜面的同一高度同時釋放2個質量不等的小球，到達底面的速度相等. 為此筆者進行了驗證：準備了2個不同材料的體積相同的圓柱體，在同一斜面上相同的高度，同時釋放，有時可以觀察到圓柱體到達底部的時間相差不大，近似認為速度相等. 但是還是會出現時間相差大、滾偏等失敗情況. 換成不同的斜面，盡管努力去保證材料相同，成功率還是很低. 降低起始高度，到達底面時的速度減小，可以提高成功率. 但是推動木塊前進的距離、兩木塊距離差均減小，教室后排學生觀察不清楚. 將上述不同的圓柱體改為質量不等的小車，實驗結果同上.

據此認為，由于實驗的條件所限，無法達到理想狀況，不能保證實驗一次成功. 為糾正滾偏多次調試，學生尚可接受，但為同時到達底部而多次嘗試，會被學生理解為一種僥幸行為. 歸根到底，此困難還是在于知識脫節，脫離了理論支撐.

倘若堅持要探究動能與質量的關系，筆者可以提供一種簡便的方法. 將2個質量不同的圓柱體(小車亦可)并排放置在平整的桌面上，用課本的書脊推動2個圓柱體并排前進，課本適時停止推動，圓柱體就以相同速度前進，撞擊木塊.

3.5 結論

針對上述一系列缺陷，依筆者的觀點，還是采用表1所列教材的方法為佳，只告訴學生結論，不涉及具體探究過程. 若非要探究，采用小車或者是圓柱體組，可以有效避免上述3.1～3.3所列舉的缺陷. 采用并排推動小車、圓柱體組的方法，可避免上述3.4所列舉的缺陷. 至于為何由相同高度可得到相同速度，初中階段實在是無能為力.

4 結束語

依筆者觀點，應該從源頭抓起，教材應該避免錯誤，否則教師是不敢擅自改進的. 教師只能基于現狀，關于高度對速度的的影響，干脆明確告訴學生，由于初中學生知識水平所限，目前無法從理論上來證明；由于初中器材的局限性，無法從實驗中精確測定，目前只需記住結論即可.

參考文獻：

[1] 黎蓉． 學習與評價·物理實驗九年級(上)·配人教版課程標準本[M]． 南京：江蘇科學技術出版社，2003：56-57．

[2] 劉俊英． “影響動能大小因素”與“動能與彈性勢能之間的轉化”探究實驗的改進[J]． 中國現代教育裝備，2012(20)：28-30．

[3] 劉炳昇． 中學理科實驗教學指導——初中物理分冊[M]． 南京：江蘇科學技術出版社，2012：214-215．