優化實驗設計方案 提高學生實驗技能

王金兵

摘? 要：掌握常規考法，關注實驗創新，提升實驗素養。對比研究了牛頓第二定律的實驗、力的合成實驗、驗證機械能守恒定律的實驗、探究動能大小的影響因素等四個實驗的常規操作方法和創新操作方法。

關鍵詞：創新;對比;提高;實驗素養

【中圖分類號】G633.7??? 【文獻標識碼】A?????? 【文章編號】1005-8877（2019）19-0101-01

近年來，在高考或測試中，高中物理的實驗題越來越活，在常規考題的同時，不斷創新考法。這要求考生克服思維定勢，關注創新方法，做好陳題新解，同時提高學生的操作能力，提升學生綜合實驗素養。本文通過對常規實驗的常規做法與創新設計進行對比探討。

1.探討牛頓第二定律的實驗

（1）平衡摩擦力

常規問題：在探討牛頓第二定律的實驗中，有關平衡摩擦力的問題，要求在不掛小鉤碼的情況下將木板的無滑輪的一端略為抬高，達到小車勻速即可。

創新設計：如果用了氣墊導軌，因滑塊（或小車）與氣墊導軌之間隔著“氣墊”，此時無需再將導軌一端略為抬高，反而要求將導軌水平放置。

（2）m遠小于M

常規問題：在探討牛頓第二定律的實驗中，因為讓所掛小鉤碼（或沙桶）的重力來提供拉力，并將它們的重力近似等于小車的拉力。必須讓小鉤碼（或沙桶）的重力遠小于小車重力。

創新設計1：如果在拉滑塊（或小車）的繩子上串一個力傳感器可以直接測出力F，則無需再要求m遠小于M了。

創新設計2：實驗裝置：小車上固定一個盒子，盒子內盛有沙子.沙桶的總質量（包括桶以及桶內沙子質量）記為m，小車的總質量（包括車、盒子及盒內沙子質量）記為M。驗證在質量不變的情況下，加速度與合外力成正比：從盒子中取出一些沙子，裝入沙桶中，稱量并記錄沙桶的總重力mg，將該力視為合外力F，對應的加速度a則從打下的紙帶中計算得出。多次改變合外力F的大小，每次都會得到一個相應的加速度.本次實驗中，將車內的沙子轉移到桶中，就保證了M+m不變，研究對象是整個系統，即系統的總質量不變，a= = ，多次實驗并作出a-F圖象，可見a-F圖象斜率的物理意義是 ，系統的合外力就等于所懸掛沙桶的總重力mg，這就不必滿足M?m這樣的條件。

2.力的合成實驗

常規問題：在做“探究共點力合成規律”的實驗時，可以先將橡皮條的一端固定在木板上，再用兩個彈簧秤把橡皮條的另一端拉到某一位置O，之后只用一個彈簧秤拉橡皮條使其伸長，實驗操作中，同一次實驗中O點的位置不允許變動，確保兩次等效。

創新設計：（力的合成創新操作）所示的實驗裝置來探究求合力的方法.彈簧測力計A掛于固定點P，下端用細線掛一重物M.彈簧測力計B的一端用細線系于O點，手持另一端向左拉，使結點O靜止在某位置.分別讀出彈簧測力計A和B的示數，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點的位置和拉線的方向.改變拉力，進行多次實驗，不必要每次都要使O點靜止在同一位置。因為每次實驗時，畫出以A、B兩彈簧的對應力為鄰邊的平行四邊形，比較該平行四邊形的對角線與M重力是否接近等值反向，如果接近，就得出可用平行四邊形定則求合力的方法。

3.驗證機械能守恒定律的實驗

常規問題：（驗證機械能守恒定律的實驗），求出做自由落體運動物體的重力勢能的減少量和相應過程動能的增加量，若二者基本相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律。

創新設計： （驗證機械能守恒定律的實驗創新操作）：框架上裝有光電門1和光電門2;框架豎直部分緊貼一刻度尺，刻度尺的零刻度線在上端，可以測量出兩個光電門到零刻度線的距離x1和x2;框架水平部分用電磁鐵吸住一個質量為m的小鐵塊，小鐵塊的重心所在高度恰好與刻度尺零刻度線對齊.切斷電磁鐵線圈中的電流時，小鐵塊由靜止釋放，當小鐵塊先后經過兩個光電門時，與光電門連接的傳感器即可測算出其速度大小v1和v2.。檢驗結果能否滿足mgx2-mgx1= 12mv22- mv 21來驗證機械能是否守恒。

4.探究動能大小的影響因素的實驗

常規問題：本實驗用轉換法的思想，通過從斜面上滾下的小球去撞擊水平面上的滑塊，比較滑塊滑動距離從而比較做功的大小。實際操作時小球的方向性差，出現撞不到滑塊的現象。另外，滑塊因與地面阻力過大，滑動距離短，不便比較等問題。

創新設計：作三個變動，1、將小球改為圓柱體，使得下滑時方向性更好，更能撞擊到水平面上的小車;2、將滑塊改為有輪的實驗小車，滑動距離更遠，有利于對比;3、降低斜面的坡度，斜面與水平面的連接處有平滑的小圓弧來過渡，減少從斜面到水平面上時的能量損失。

總之，實驗創新方法很多，在平時實驗教學時，要領悟實驗的原理與常規測量方法。創新實驗的方法來源于常規實驗，同時又能優化常規測量思路和方法，學會變通與創新，解答創新設計型實驗題，就是要按照題目要求和題目給出的實驗器材，應用相關的物理知識，遷移教材實驗的方法，設計出切實可行的實驗方案，實驗能力在潛移默化中得到提高。