浅谈如何设计力学自主性学生实验

◎江加全

一、以多测少，以少测多

不管什么类型的测量仪器均提前设定了测量范围，一旦被测量数值超过了仪器的测量范围，则会使测量数据出现较大误差，不利于测量工作的顺利开展，但如果使用分次测量的方法则可能出现更大差别。当被测量的对象小于仪器的最小刻度值时，测量不出一个有效的数据而无法得出较准确的实验结果。遇到这种情况，就要采取“缩小”即以少测多，或“放大”即以多测少的方法。具体实验时，要注意：

1.所测对象必须是“同类物质” 例如：要测量一颗麦粒的质量，显然小于天平的最小刻度值而无法直接测量，这时就要测量几十粒或几百粒相同的麦粒质量，再如：用一把米尺测量两地距离，显然米尺不够长，就可采用先测量正常行走的每一步长，再统计步数，实验时就要求步伐大小相等，即保持正常步行。

2.“放大”或“缩小”后的测量对象，应满足测量器材的要求 即小于仪器测量范围而大于测量仪器的最小刻度值，也就是说要有一定的数量可改变。例如：测一枚硬币的厚度时，就可用10枚相同硬币地叠放，但要测量一张纸的厚度时，测量10张相同纸叠放的厚度就不行，根据每张纸的厚度，就应取几十张纸叠放测量才有效。要指出的是，在采用“以多测少”时，实际上是提高了测量仪器的测量精度。

二、“比较法”进行测量

当使用测量仪器不能直接进行测量时，笔者认为可以利用类比的做法，要想合理应用这种方法，首先要确定“参照物”，如人们耳熟能详的“曹冲称象”就是应用了类比法。初中物理实验中，在测量物体的密度时，人们通常会将水作为主要参照物。如要想测量橡皮泥与小酒杯的密度，但手中只有量筒和水，那么应该如何设计实验呢？大多同学经过思考，可以顺利得出测量小酒杯密度的方法，但思索不出测量橡皮泥密度的方法，笔者引导学生对上述二种物体的测量进行了对比，第一，都使用量筒；第二，都使用水；第三，二种物体的密度均高于水。只需将橡皮泥做成水杯的形状，则可以顺利解决上述问题。

三、等量替代原理

当测量器材无法直接测量时，就要设法用可以直接测量的物理量来取代不能直接测量的物理量。采用此方法时，唯一要注意的是直接测量的与不能直接测量的物理量之间要有内在的联系，找到这种内在的联系，也就完成了实验的设计。内在的联系一般可从数学和物理两方面去找。可以说“等量替代”的思想是物理实验成功的最根本、最重要的思路。物理学中的相关定律、定理、公式、原理都是以替代思维成立的基础为出发点的。例如：测量固体的体积，在有量筒或量杯时，可采用“排液补差”法直接测量。但没有量筒或量杯时，对于规则物体可用刻度尺去测量它的几何尺寸，再进行体积计算，对于不规则的物体，可用弹簧秤和水，通过测量浮力大小，结合阿基米德原理F浮＝ρ液gV排（全部浸没），得出V排＝F浮/ρ液g等方法。因此熟悉各个物理量原理是用好“等量替代”法进行自主性实验设计的关键。

在设计实验过程中，要求实验环节切实可行，要保证得到准确的实验数据，实验环节设计不要过于复杂。

合理确定实验步骤可以保证实验操作的顺利进行，得到准确数据。如在拥有天平、量筒、烧杯的情况，要求测量液体的密度，那么应该将测量杯子质量与测量杯子液体质量哪一个放在前面呢？利用与量筒中液体体积对比，则得到应该先测量烧杯与液体的质量，再测量剩余液体的质量，在计算得出二者之差后，即掌握了烧杯中缺少液体质量，读出量筒中液体的体积，即为烧杯中缺少液体体积，可以将实验中出现的误差降到最低。

四、控制变量法

在初中物理教学中还有许多概念或规律之探索和推导的实验过程中，都运用了“控制变量法”这一科学方法，用“控制变量”去分析和解决的实际问题是很多的，这就为这一科学方法的教学和应用提供了很好的机会。如在引导学生探索“导电体中电流大小同其两端电压大小和其电阻大小之间的定性关系，最终得出欧姆定律”和探索“力的作用效果同力的哪些因素有关，最终得出力的三要素”等实验过程中都用到了这一科学方法，使学生对“控制变量法”不断加深理解，并逐步达到有意识地去应用的目的。

如下面的习题：水与煤油的质量相同，如果对二者放出相同的热量，那么哪一种物体的温度较高？学生在看到这个习题时，会觉得解答存在一定的困难，在短短的几句话当中应用了四个物理量，要想得到哪一种物体升高的温度大，则需深入研究其他三种物理量共同作用产生的后果，一旦不能选择合理的研究方法，那么在解决这一问题过程中则会遇到诸多困难，而且得到的结果也可能存在一定的误差，但如果教师能够引导得法，鼓励学生应用物理实验中的科学方法解决实际问题，从而将物理学习与实际应用结合在一起，学生在相互讨论与共同研究的基础上，有的学生提出可以应用“控制变量法”融入公式Q＝cmΔt，能够顺利完成此题的解答，学生是这样思考的：此问题要求学生得到Δt的变化情况，可以先改变公式为Δt＝Q/cm，再对题中所给的条件进行研究，可以得到二个物体的质量与吸引的热量是相同的，那么Δt的变化只需研究物体的比热即可，而且利用深入观察Δt＝Q/cm，发现Δt随着c的增大而减小，依据物理知识得到，水的比热要高于煤油的比热，所以可以在此基础上轻松得到煤油升高的温度大.在初中物理（如在力学、电学、热学）中，可用“控制变量”这一科学方法去分析解决的实际问题还很多，这就为学生灵活应用这一科学方法解决问题提供了保证。

［1］李荣江.力学自主性学生实验的几种特殊测量方法［J］.贵州教育.2005年9期