高中物理新旧教材胡克定律演示实验的分析与改进

周庭艳，吴波（遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州遵义563002）



高中物理新旧教材胡克定律演示实验的分析与改进

周庭艳，吴波
（遵义师范学院物理与机电工程学院，贵州遵义563002）

摘要：从高中物理教材胡克定律演示实验出发，分析了新旧教材中这一部分教学内容教学设计的优缺点，并对新教材胡克定律演示实验提出了新的改进方案。

关键词：胡克定律；演示实验；教学设计；改进

从物理现象引出物理问题，启发学生运用物理概念、规律解决实际问题，可以很好地培养学生的实验技能，也能够充分发挥教师的指导作用。演示实验作为一种很好的教学方式在物理教学中占有重要的地位。通过演示实验，可以发现问题，引入课题，激发学生的学习兴趣；可以展示实验现象，获取实验数据，为形成物理概念和建立物理模型奠定事实基础[1]。同时，物理演示实验生动、有趣，能为学生形成物理概念、得出物理规律营造出活生生的物理情境，是物理教学的重要手段之一，是培养学生观察能力、创新能力和科学探究精神的重要途径[2]。

对教材演示实验的改进是近年中学课程改革的重要内容。作者在指导学生试讲和毕业论文的过程中发现，《普通高中课程标准实验教科书·物理（必修）》（以下简称新教材）中的一些演示实验相对于《全日制普通高级中学教科书（必修）·物理》（以下简称旧教材）有了明显改进，这种改进传达的信息和理念值得师范院校的师生深刻分析和领会。作者以新旧教材胡克定律演示实验为例，分析了新旧教材的优缺点，并对胡克定律演示实验提出了新的改进方案。

1旧教材胡克定律演示实验

如图1所示，在弹簧不挂重物时，用刻度尺准确测出弹簧的长度并填入表1。在弹簧下依次挂上1个、2个、3个钩码……，用刻度尺测出此时弹簧的长度，并将数据依次填入表1。以钩码的重力和弹簧伸长的长度在坐标图上描点，并用光滑的直线使点均匀分布在直线的两旁（如图2所示）。根据图形，运用一定的数学方法，在误差允许范围内，得出胡克定律：F=kx[3]。

图1弹力与弹簧伸长量的关系

图2钩码重力与弹簧伸长量坐标图

表1数据记录表

这种演示胡克定律的方式，优点在于形象、直观，教师容易操作，学生容易理解，但其缺点也很明显。首先，重复的加重、测量，使实验操作机械、呆板，不能很好地激发学生的学习兴趣和积极性，得出结论的过程繁杂，记录的实验数据较多；其次，由于弹簧自身有重力，使弹簧伸长的长度不完全是由钩码重力引起，导致实验误差较大；最后，由于直线不过原点，使图形不能准确反映结论。

2新教材胡克定律演示实验

新教材胡克定律演示实验示意图如图3所示。弹力的大小跟弹簧的形变大小有关系，弹簧形变越大，弹力就越大，弹簧形变消失，弹力就随之消失，弹力与弹簧形变的定量关系，一般来讲比较复杂，而弹簧的弹力与弹簧的伸长量（或压缩量）的关系则比较简单。图3给出了三根弹簧，左端分别固定；第一根为原长，右端对应于坐标原点；另外两根由两只手分别向右拉伸，拉伸长度不一致，其长度分别对应于上方坐标轴的横轴x1、x2点，再根据图中两只手拉弹簧的力F1、F2，直接作弹力与弹簧伸长量的关系图，就得出胡克定律。弹簧发生弹性形变时，弹力的大小F跟弹簧伸长（或压缩）的长度x成正比，即F=kx[4]。

图3弹力与弹簧伸长量的关系

新教材将弹簧的固定方向由竖直方向改为水平方向，克服了弹簧本身的重力，大大降低了实验的误差，使实验结论更加精确，也使实验过程大大简化。然而，这种演示方法也给师生带来新的困惑。在图3中，虽然弹簧的原长度和伸长的长度可以很方便地从横坐标上读出，简化了刻度尺测量的过程，避免了读数引起的误差。但是，手拉弹簧的力却无法量化，即无法判断图3中F1、F2的实际大小。因此，坐标图中F1、F2的值是怎样确定的，正比例函数的图形是怎样画出来的，为什么图形是直线而不是曲线，这些疑问在图3中均得不到解释。另外，弹簧水平放置，虽然减小了竖直方向上弹簧自身重力带来的误差，但是，对于自身重力较大的弹簧，在拉伸（或压缩）过程中，弹簧受自身重力的影响，可能会发生弯曲，导致测得的伸长量不是弹簧本身的伸长量，同样会引入实验误差，使实验结果不能准确推导出胡克定律。

3对新教材胡克定律演示实验的改进

图4是作者设计的胡克定律演示实验改进方案。作者将图3中的弹簧改为弹簧测力计，左端固定，在弹簧测力计下方放置一把直尺，以弹簧测力计的右端与直尺零刻度线对齐，并对应于坐标轴的原点。用手拉弹簧测力计，从测力计上准确读出示数F1，从直尺上准确读出此时的伸长量x1。继续拉弹簧测力计，并准确读出弹簧测力计的示数F2和直尺上的示数x2，以此类推继续拉第3次、第4次…，依次读出弹簧测力计和直尺上的示数F3、x3，F4、x4…，在坐标图上分别画出F1、x1，F2、x2…，根据坐标图上的F1、x1，F2、x2…以及坐标原点，就可

以画出一条过原点的直线，从而推导出胡克定律。

在图4的改进方案中，由于使用了弹簧测力计，可以从弹簧测力计上准确地读出手拉弹簧的力，使手拉弹簧的力得到量化；同时，由于弹簧自身的质量非常小，可以大大减小弹簧在拉伸过程中因重力弯曲产生的误差。改进的实验方案可以使实验现象更明显、更直观，使实验结果更具说服力。而且，教师能够事先自制器材，使用较软的弹簧制作弹簧测力计，使弹簧在拉伸过程中能有较大的长度变化，使实验更具演示效果。

图4弹力与弹簧伸长量关系的改进示意图

4总结

演示实验具有很强的示范作用，因此对于演示实验的要求应更严谨、更规范才能体现教学改革的精神。从新教材的胡克定律演示实验来看，显然还有改进的空间。作为师范院校的教师，有责任和义务让学生掌握分析教材、质疑教材、改进教材的能力。这种敢于质疑、敢于创新的精神才是当代中小学教学改革师资队伍建设的精髓所在。

参考文献:

[1]刘炳昇.漫谈演示实验的精心设计[J].物理教学,2011,(8): 22-24.

[2]谭小红.浅谈几个物理演示实验的改进[J].教学与管理，2011，(31):68-70.

[3]人民教育出版社物理室.全日制普通高级中学教科书（必修）·物理(第一册)[M].北京:人民教育出版社,2002.

[4]人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理(必修1)[M].北京:人民教育出版社,2004.

（责任编辑：朱彬）

Onthe Analysis and Improvement of the Demonstrative Experiment of Hooke’s Lawinthe Oldand New Textbookof Senior High Schools

ZHOU Ting-yan; WU Bo
(School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering, Zunyi Normal College, Zunyi 563002, China)

Abstract:The weak and strong points of teaching design on parts of teaching contents from old and new textbook are analyzed from the perspective of demonstrative experiment of Hooke’s law in the physical textbook of senior high school, and then some methods are put forwards as to how to improve weak points.

Key words:hooke’s law; demonstrative experiment; teaching design; improvement

作者简介：周庭艳，女，贵州遵义人，遵义师范学院物理与机电工程学院实验师，主要从事大学物理实验教学工作。

基金项目：遵义师范学院基础教育研究课题（13ZYJ003）

收稿日期：2015-05-11

中图分类号：G633.7

文献标识码：C

文章编号：1009-3583（2015）-0140-02