探究高中物理實驗的創新型實驗

王永鋒

【摘 ?要】科學探究是物理學科核心素養的重要組成部分，如何在高考實驗備考環節中培育學生的科學思維、科學探究素養，引領學生高效備考，本文以人教版《高中物理必修一》“驗證牛頓運動定律”為例進行了一些深度探究，以期達到拋磚引玉的效果。

【關鍵詞】實驗;高考;創新;科學探究 ;科學思維;核心素養

新的課程標準提出了核心素養的概念，物理學科核心素養分為“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與社會責任”。它的提出為高中物理教學改革提供了依據，也為高考備考指明了方向，但它是一個宏觀概念，具體教學過程當中如何培育學生的核心素養，進而完成“立德樹人”的根本任務，應該是每一個一線教育工作者共同的話題。在高中階段要將培育核心素養落實到位、求得實效就不得不將其與高考結合起來。每年的高考試題幾乎都會涉及實驗，但每年的高考試題在考查實驗時都有變化、有發展、有創新，在一定程度上體現了高考試題的靈活性和創新性，也比較符合物理學科教學改革培養學生核心素養的總體要求，但對高考備考提出了更高層次的要求。在這里探究基于人教版高中物理實驗“驗證牛頓運動定律 ”的創新型實驗，以期達到良好效果。

“驗證牛頓運動定律”的實驗在人教版高中物理課本必修一當中有著非常重要的地位，因此高考頻頻涉及。該實驗主要是利用控制變量法驗證加速度與力、質量的關系。高考當中主要涉及的考點有：實驗器材的安裝與要求、實驗原理的理解與運用、實驗誤差的分析與控制、實驗數據的采集與處理、實驗結論的修正與得出等，針對以上考點探究如下：

一、探究分析教材原型實驗

該實驗在人教版高中物理必修一課本中提供的方法是：如圖1所示，用控制變量法“探究加速度與力、質量的關系”，其中小車及車中砝碼質量為M，鉤碼及鉤碼盤的質量為m，重力加速度為g。具體實驗步驟與過程不再贅述，但該實驗方案中有幾個疑難問題值得探究，探究如下：

圖1

探究問題一：該實驗為什么需要平衡摩擦力？

探究與分析：本實驗不能得到摩擦因數μ，因此無法求得合力。這時可以通過平衡摩擦力的方式簡化求解合力的過程，平衡摩擦力以后小車所受合力就是繩子拉力。在木板下方墊一個小木塊使木板形成斜面，如果斜面傾角合適，小車所受摩擦力與重力就會滿足這樣的關系：Mg sin θ=μMg cos θ，此時平衡了摩擦力。由上式可以看出平衡摩擦與小車質量無關，因此改變小車質量以后無須再次平衡摩擦力。

探究問題二： 在小車做勻加速直線運動的過程中，繩的拉力大小等于鉤碼的重力嗎？為什么當M與m滿足m ≤ M時，才能認為繩子對小車的拉力F大小等于鉤碼的重力？

探究與分析：對小盤和小車組成的系統有： mg =（M +m）a 則 a = ;

對小車有：F = Ma，則F=mg，因此，當m與M滿足m ≤ M 時，才可認為繩子對小車的拉力F大小等于鉤碼的重力F=mg。

探究問題三： 在保持鉤碼質量m一定的條件下，探究小車加速度a與質量M的關系之前需要平衡摩擦力，平衡摩擦力時，鉤碼是否應用細線通過定滑輪系在小車上，小車后面的紙帶是否也必須連接好？

探究與分析：本實驗中為簡化求小車合力的步驟，采用了平衡摩擦力的方法。平衡摩擦力時，在沒有拉力作用的條件下，小車能勻速運動則表明平衡摩擦力合適，小車所受拉力即其所受合力，因此平衡摩擦力時，鉤碼不能通過定滑輪系在小車上，但平衡摩擦力時小車后面的紙帶必須連接，分析紙帶點跡分布是否均勻才能判斷平衡摩擦是否合適。

探究問題四：實驗時，能否先放開小車再接通計時器的電源，改變釋放順序對實驗結果有影響嗎？如果用天平測出m及M，直接用公式a=求出小車運動的加速度是否可以代替利用紙帶計算加速度？

探究與分析：為了減小實驗誤差應先接通打點計時器的電源，待打點計時器工作穩定以后再釋放小車。如果用天平測出m及M，直接用公式a=求出小車運動的加速度，這是用牛頓第二定律求解加速度，但本實驗的目的是驗證牛頓第二定律，自相矛盾，因此，不能直接用公式a=代替紙帶求解加速度。

探究問題五：如果有同學實驗時遺漏了平衡摩擦力這一步驟，測量出多組a、F（F=mg.）數據，進而作出的a-F圖像會有什么變化呢，本實驗在驗證加速度a與M的關系時為什么驗證的卻是a與的關系？

探究與分析：如果有同學實驗時遺漏了平衡摩擦力這一步驟，最終得到的a-F圖像會與橫軸有交點，如圖2所示。隨著F的增大，F與mg不再滿足F=mg，兩者的偏差也會逐漸顯現，圖線會逐漸向下彎曲，這是本實驗方案的弊端，屬于系統誤差。

圖2

與此同時該實驗在驗證加速度a與M的關系時可以用驗證a與的關系來代替。a與M理論上成反比，但利用描點法描點得到反比函數圖像時會有較大誤差，因此可以用驗證a與的關系來代替，如果a與成正比，那么a與M就成反比，這也是本實驗方案的巧妙之處。

二、探究基于教材原型實驗的創新型實驗

創新型實驗類型：實驗裝置不變改變實驗目的（測量動摩擦因數）

【例】某學校實驗小組在測木塊與長木板之間的動摩擦因數時，采用了如圖3所示的裝置，將長木板水平固定在實驗臺上，調整滑輪位置，使細線與長木板保持平行。

圖3

[創新點分析與問題探究]

本題的創新點在于使用教材原型實驗的裝置達成測定摩擦因數的另外目的，引導學生注重掌握課本原型實驗原理的同時也能根據實際情況靈活變通。這種變化既實現了知識的遷移，又實現了實驗考查方式的創新，一舉兩得，在促成學生科學探究、科學思維與能力方面效果顯著。

探究問題：若用天平測出木塊的質量為M，砝碼和盤的總質量為m，重力加速度為g，該實驗如何測木塊與長木板之間的動摩擦因數？

探究與分析：對于摩擦因數的求解，如果有課本原型實驗的理論基礎，那么就很容易得到結果。即，對木塊進行受力分析得：F-μMg=Ma;對砝碼盤和砝碼進行受力分析得：mg-F=ma;聯立兩式得：μ=，對于加速度的求解和課本原型實驗的求解方法保持一致。

綜上所述，近年來高考考查物理實驗，形式多樣、不斷變化、不斷創新，為提高備考效率進而落實教育教學改革的總體任務，作為一名物理教師，深度分析課本原型實驗和探究基于原型實驗的創新型實驗，注重培育學生物理學科科學思維、科學探究的核心素養應該是一條必由之路。

【參考文獻】

[1]陳運保，張善奎.近十年我國物理教育領域科學思維研究綜述[J].物理教學探討，2021（9）：1-6.

[2]吳暢.提高高中物理實驗教學有效性的策略研究[J].湖南中學物理，2018（9）：69-71.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].2018：1-15.