關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié) 彰顯求同存異

夏良英

(廣東省深圳市龍華高級(jí)中學(xué),廣東 深圳 518109)

1 問題的提出

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)內(nèi)容的重要組成,是落實(shí)物理課程目標(biāo),全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑．關(guān)于實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?高考考試大綱上要求學(xué)生能靈活地運(yùn)用學(xué)過的理論、實(shí)驗(yàn)方法、儀器去處理、分析．實(shí)驗(yàn)題命題特點(diǎn)側(cè)重基本儀器的使用,實(shí)驗(yàn)演變一是從器材入手,二是從實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)方法的變化入手．

同一實(shí)驗(yàn)裝置(如圖1)可以設(shè)計(jì)探究多個(gè)實(shí)驗(yàn),例如下列實(shí)驗(yàn)裝置,稍為變形就可以用于這5個(gè)實(shí)驗(yàn):“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”、“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”、“測(cè)量滑塊與長(zhǎng)木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)”、“探究動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)”、“驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒定律”.

圖1

但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的目的不同,原理不同,所以裝置的細(xì)節(jié)各不相同,處理數(shù)據(jù)的方法也不同．

在這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生主要分不清兩個(gè)問題: (1) 需不需要平衡摩擦力?(2) 需不需小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量?因此在這里我們需要關(guān)注一下實(shí)驗(yàn)圖的變形．

2 4個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1-圖4最大的特點(diǎn)就是相似,大同小異,我們先來看一下各個(gè)圖中每個(gè)器材出現(xiàn)的作用，這個(gè)器材是否可以用其他器材取代.

小車的作用:研究對(duì)象;鉤碼的作用:提供動(dòng)力,讓小車做加速運(yùn)動(dòng);打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶的作用:記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況,計(jì)算速度和加速度．

圖2

圖3

圖4

小車可以用滑塊替代,鉤碼可以用砂桶或托盤和砝碼替代,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶可以用滴水計(jì)時(shí)器、速度傳感器 、位移傳感器(接收器和發(fā)射器)、光電門來替代．

從“圖1”到“圖2”的區(qū)別就在于:多了木塊使木板傾斜用來平衡摩擦力．我們可以用氣墊導(dǎo)軌來平衡摩擦力從而就不需要木塊(或者替代長(zhǎng)木板),其他的地方均沒有變．

從“圖2”到“圖3”區(qū)別在于:多了力傳感器．力傳感器直接可以讀出拉力的大小,因此做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候不需要近似處理讓T≈mg,也就不需要滿足M?m這個(gè)條件．

3 5個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)圖“變形”之前我們需要厘清這幾個(gè)問題: (1) 是否需要平衡摩擦力，從而決定是否需要墊木塊或者用氣墊導(dǎo)軌; (2) 是否需要近似拉力大小，從而決定是否需要力傳感器．

3.1 研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)(見表1)

表1

3.2 測(cè)量小車與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)(見表2).

表2

3.3 驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律(見表3).

表3

例1.圖2為“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.砂和砂桶的總質(zhì)量為m,小車和砝碼的總質(zhì)量為M.實(shí)驗(yàn)中用砂和砂桶總重力的大小作為細(xì)線對(duì)小車?yán)Φ拇笮?

(1) 實(shí)驗(yàn)中,為了使細(xì)線對(duì)小車的拉力等于小車所受的合外力,先調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板一端滑輪的高度,使細(xì)線與長(zhǎng)木板平行.接下來還需要進(jìn)行的一項(xiàng)操作是

(A) 將長(zhǎng)木板水平放置,讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電,調(diào)節(jié)m的大小,使小車在砂和砂桶的牽引下運(yùn)動(dòng),從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng).

(B) 將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,撤去砂和砂桶,給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電,輕推小車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng).

(C) 將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?撤去紙帶以及砂和砂桶,輕推小車,觀察判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng).

(2) 實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行質(zhì)量m和M的選取,以下最合理的一組是

(A)M=200 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g.

(B)M=200 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g.

(C)M=400 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 g.

(D)M=400 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g.

解析:此題目中明確說明了實(shí)驗(yàn)中用砂和砂桶總重力的大小作為細(xì)線對(duì)小車?yán)Φ拇笮?因此需要平衡摩擦力,需要滿足M?m．

例2.如圖5為用拉力傳感器和速度傳感器探究“加速度與物體受力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置,用拉力傳感器記錄小車受到拉力的大小,在長(zhǎng)木板上相距L=48.0 cm的A、B兩點(diǎn)各安裝一個(gè)速度傳感器,分別記錄小車到達(dá)A、B時(shí)的速率． (1) 實(shí)驗(yàn)主要步驟如下:

① 將拉力傳感器固定在小車上,______(“需要”或“不需要”)滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼總質(zhì)量.

圖5

② 平衡摩擦力,讓小車做________運(yùn)動(dòng);

③ 把細(xì)線的一端固定在拉力傳感器上,另一端通過定滑輪與鉤碼相連;

④ 接通電源后自C點(diǎn)釋放小車,小車在細(xì)線拉動(dòng)下運(yùn)動(dòng),記錄細(xì)線拉力F的大小及小車分別到達(dá)A、B時(shí)的速率vA、vB;

⑤ 改變所掛鉤碼的數(shù)量,重復(fù)④的操作.

解析:題目中第1句話已明確說了用拉力傳感器和速度傳感器探究,直接可以讀出拉力大小,所以不需要滿足M?m．

3.4 探究動(dòng)能定理(見表4)

表4

3.4 驗(yàn)證系統(tǒng)的機(jī)械能守恒定律(見表5)

表5

當(dāng)學(xué)生面對(duì)這么多的物理實(shí)驗(yàn)裝置圖,一會(huì)兒有“教材原型實(shí)驗(yàn)”,一會(huì)兒又有“實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”,都似曾相似,容易混淆,因此在教學(xué)中,我們通過從實(shí)驗(yàn)圖的變形,關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié),找它們的不同點(diǎn),逐個(gè)分析,相信學(xué)生在做到類似的實(shí)驗(yàn)題時(shí),就會(huì)很清晰,迎刃而解了．