迁移能力在高中物理实验设计上的妙处体现

刘鹏程

摘 要：高中物理验证性及探究性实验设计应尽最大努力设计“可行性”方案，并索取待测数据，要求实验设计方案简洁，实验数据易测且较

准确。

关键词：高中物理 实验设计 策略

中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-0-01

该文以“验证牛顿运动定律的设计实验”和“探究动能定理”为例，阐述知识迁移在高中物理学习中的妙处。

1 验证牛顿运动定律

待验证的关系式是：F=m a 。

首先：分析各物理量的可行性测量手段。

（1）F是物体的合外力，怎样测呢？方法为：

①让物体的自身重力充当合外力（即物体做自由落体运动），只要测出质量即可。

②用弹簧秤拉着物体在光滑的水平面上运动（实际上光滑水平面不存在），弹簧秤拉着物体运动时读数不方便且不准确，此方案易想到但不可行。

③斜面上的物体下滑时，合外力是：当斜面光滑时，物体外力是mgsinθ。光滑的斜面实际上不存在，故此方案不可行；斜面不光滑时，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需测质量m，角度θ和动摩擦因数μ。此方案易被学生接受，实验器材常见，但是操作过程较复杂。

④为简化过程可将上边的摩擦力“平衡掉”：将斜面抬高，让物体恰好匀速下滑；当用细线将此物体m2与另一物体m1通过定滑轮连接，另一物体m1的重力近似代替此物体m2的合外力（必须控制条件：m1<

（2）a是物体的加速度。怎样测得呢？高中阶段能得到物体的加速度，低成本可行的简便方法是用打点计时器。

（3）m是质量，用天平就能测量。

其次：设计组合可行性的实验方案。

方案一：物体重力充當合外力，结合打点计时器。

验证表达式是：mg=ma；其中a=。纸带上点的速度求解：v =。此时质量m不需测。

方案二：斜面上的连有纸带的物体自由下滑，打点计时器计时和记录位移。需验证的表达式：mgsinθ-μmgcosθ=m a；

μ的得出途径：（1）查阅相关书籍直接借用数据。（2）测量得出：调整斜面倾角，让物体恰好能匀速下滑，则μ=tanθ。此时不需测量质量。

方案三：解决方案二的过程量繁琐问题—平衡摩擦力，用重物重力代替线的拉力。验证的表达式：m1g=m2a，此时需要两次测量质量。

方案四：改装方案二，三中的打点计时器为“光电门”，解决测速度的问题！

方案五：实验条件允许，可选用“气垫导轨+光电门”组合悬挂重物来实验，以减小摩擦影响。

综合来看，高中实验室常用的可行性的测量“v”“t”手段是：打点计时器，光电门！

2 探究动能定理

此实验的目的是想探究等式FS =是否成立。如何验证？就是设法将各物理量测出来。

首先分析各物理量可行性的测量手段：

（1）F是物体的合外力，怎样操作可行呢？方案同上。整合后得出可行性方案为：

①用物体的重力充当合外力（物体做自由落体运动）

②物体的运动过程在斜面上，物体下滑时，合外力是：当斜面光滑时，物体外力是mgsinθ；不光滑时，外力是mgsinθ—μmgcosθ。只需测质量m及角度θ和动摩擦因数μ（斜面上的物体匀速下滑时，μ = tanθ）。

③为简化操作过程，可以将上边的摩擦力平衡掉（将斜面抬高，让物体恰好匀速下滑），当用细线将此物体m1与另一物体m2通过定滑轮连接，另一物体m2的近似代替此物体m1的合外力（必须控制条件：m2 << m1）。

④用橡皮筋提供拉力。只需控制橡皮筋的伸长量，不必考虑力的实际大小。验证的方法得是比值法。

⑤让物体在粗糙的水平面上做减速运动，F=μmg。μ可测，如将物体放在同种材料的斜面上调试，匀速下滑时，μ=tanθ。但是此时的初速度v0必须提前可测。

（2）S是物体的位移。可以用刻度尺将它测出。若不用打点计时器，事先得有所记录物体的初末位置。

（3）m是物体质量，用天平可测。并不是每一种方案都必须测物体的质量。如物体自身重力代替它所受的合外力时，验证性等式中的m已经约掉了。

（4）V0与V 是物体的初速度与末速度。它又怎么得出呢？高中阶段能得到物体的运动速度的方法，不外乎是：打点计时器打下纸带；光电门测速度；平抛运动可测出物体的初速度。

其次：针对上边外力的设计方案，结合速度的可行性方案，简要介绍整个实验的设计流程。

方案一：物体重力提供合外力，打点计时器测速度。

将纸带连上重物穿过限位孔后，先开电源，待稳定后释放纸带。忽略摩擦后，验证的等式是：mg S=。质量不需测。S是纸带上两点间距。速度通过纸带可求出。

方案二：斜面上物体仅受到绳子的拉力作用，拉力近似等于所吊重物的重力。

此方案首先需要平衡摩擦力，是否平衡到位，就用纸带上的点间距来量度。在挂上重物，通电后释放重物。待验证的等式是：m1 g S=，质量是必须测量的量。S是纸带上两点间距，v和v0是两点的速度。

方案三：如果不平衡摩擦力，则只需将斜面上的重物连上纸带由静止待打点计时器工作稳定后释放，需要验证的等式：（mgsinθ-μmgcosθ）S =，其中μ=g tanθ。等式就简化成了mgsinθ（1-g）S= 。质量是不需测量的，斜面倾角θ需测量。

方案四：斜面上的物体平衡摩擦力后，分别用一根两根橡皮筋连上物体，每次让橡皮筋伸长量都一样，由静止待打点计时器工作稳定后释放，用比值法处理得：，这里只需求出纸带上的对应两点的速度即可。

方案五：先将物体放在木板上，调节木板倾斜程度，让物体匀速下滑，得到μ=tanθ；再将物体由平抛斜槽轨道释放，利用测出竖直与水平位移，用平抛运动知识求出平抛初速度v0；最后将木板对接到斜槽轨道末端水平放置，在同样的位置释放物体，待物体停下记录下位置，需要验证的等式：—μmgS=0-，不需测质量。

上述两实验的设计方案中，是有很多相似的地方。知识的迁移在此处解决问题时，能更大程度的激发学生的兴趣，潜移默化中培养了学生的独立思考与解决问题的能力。