探究高中物理实验的创新型实验

王永锋

【摘  要】科学探究是物理学科核心素养的重要组成部分，如何在高考实验备考环节中培育学生的科学思维、科学探究素养，引领学生高效备考，本文以人教版《高中物理必修一》“验证牛顿运动定律”为例进行了一些深度探究，以期达到抛砖引玉的效果。

【关键词】实验;高考;创新;科学探究 ;科学思维;核心素养

新的课程标准提出了核心素养的概念，物理学科核心素养分为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与社会责任”。它的提出为高中物理教学改革提供了依据，也为高考备考指明了方向，但它是一个宏观概念，具体教学过程当中如何培育学生的核心素养，进而完成“立德树人”的根本任务，应该是每一个一线教育工作者共同的话题。在高中阶段要将培育核心素养落实到位、求得实效就不得不将其与高考结合起来。每年的高考试题几乎都会涉及实验，但每年的高考试题在考查实验时都有变化、有发展、有创新，在一定程度上体现了高考试题的灵活性和创新性，也比较符合物理学科教学改革培养学生核心素养的总体要求，但对高考备考提出了更高层次的要求。在这里探究基于人教版高中物理实验“验证牛顿运动定律 ”的创新型实验，以期达到良好效果。

“验证牛顿运动定律”的实验在人教版高中物理课本必修一当中有着非常重要的地位，因此高考频频涉及。该实验主要是利用控制变量法验证加速度与力、质量的关系。高考当中主要涉及的考点有：实验器材的安装与要求、实验原理的理解与运用、实验误差的分析与控制、实验数据的采集与处理、实验结论的修正与得出等，针对以上考点探究如下：

一、探究分析教材原型实验

该实验在人教版高中物理必修一课本中提供的方法是：如图1所示，用控制变量法“探究加速度与力、质量的关系”，其中小车及车中砝码质量为M，钩码及钩码盘的质量为m，重力加速度为g。具体实验步骤与过程不再赘述，但该实验方案中有几个疑难问题值得探究，探究如下：

图1

探究问题一：该实验为什么需要平衡摩擦力？

探究与分析：本实验不能得到摩擦因数μ，因此无法求得合力。这时可以通过平衡摩擦力的方式简化求解合力的过程，平衡摩擦力以后小车所受合力就是绳子拉力。在木板下方垫一个小木块使木板形成斜面，如果斜面倾角合适，小车所受摩擦力与重力就会满足这样的关系：Mg sin θ=μMg cos θ，此时平衡了摩擦力。由上式可以看出平衡摩擦与小车质量无关，因此改变小车质量以后无须再次平衡摩擦力。

探究问题二： 在小車做匀加速直线运动的过程中，绳的拉力大小等于钩码的重力吗？为什么当M与m满足m ≤ M时，才能认为绳子对小车的拉力F大小等于钩码的重力？

探究与分析：对小盘和小车组成的系统有： mg =（M +m）a 则 a = ;

对小车有：F = Ma，则F=mg，因此，当m与M满足m ≤ M 时，才可认为绳子对小车的拉力F大小等于钩码的重力F=mg。

探究问题三： 在保持钩码质量m一定的条件下，探究小车加速度a与质量M的关系之前需要平衡摩擦力，平衡摩擦力时，钩码是否应用细线通过定滑轮系在小车上，小车后面的纸带是否也必须连接好？

探究与分析：本实验中为简化求小车合力的步骤，采用了平衡摩擦力的方法。平衡摩擦力时，在没有拉力作用的条件下，小车能匀速运动则表明平衡摩擦力合适，小车所受拉力即其所受合力，因此平衡摩擦力时，钩码不能通过定滑轮系在小车上，但平衡摩擦力时小车后面的纸带必须连接，分析纸带点迹分布是否均匀才能判断平衡摩擦是否合适。

探究问题四：实验时，能否先放开小车再接通计时器的电源，改变释放顺序对实验结果有影响吗？如果用天平测出m及M，直接用公式a=求出小车运动的加速度是否可以代替利用纸带计算加速度？

探究与分析：为了减小实验误差应先接通打点计时器的电源，待打点计时器工作稳定以后再释放小车。如果用天平测出m及M，直接用公式a=求出小车运动的加速度，这是用牛顿第二定律求解加速度，但本实验的目的是验证牛顿第二定律，自相矛盾，因此，不能直接用公式a=代替纸带求解加速度。

探究问题五：如果有同学实验时遗漏了平衡摩擦力这一步骤，测量出多组a、F（F=mg.）数据，进而作出的a-F图像会有什么变化呢，本实验在验证加速度a与M的关系时为什么验证的却是a与的关系？

探究与分析：如果有同学实验时遗漏了平衡摩擦力这一步骤，最终得到的a-F图像会与横轴有交点，如图2所示。随着F的增大，F与mg不再满足F=mg，两者的偏差也会逐渐显现，图线会逐渐向下弯曲，这是本实验方案的弊端，属于系统误差。

图2

与此同时该实验在验证加速度a与M的关系时可以用验证a与的关系来代替。a与M理论上成反比，但利用描点法描点得到反比函数图像时会有较大误差，因此可以用验证a与的关系来代替，如果a与成正比，那么a与M就成反比，这也是本实验方案的巧妙之处。

二、探究基于教材原型实验的创新型实验

创新型实验类型：实验装置不变改变实验目的（测量动摩擦因数）

【例】某学校实验小组在测木块与长木板之间的动摩擦因数时，采用了如图3所示的装置，将长木板水平固定在实验台上，调整滑轮位置，使细线与长木板保持平行。

图3

[创新点分析与问题探究]

本题的创新点在于使用教材原型实验的装置达成测定摩擦因数的另外目的，引导学生注重掌握课本原型实验原理的同时也能根据实际情况灵活变通。这种变化既实现了知识的迁移，又实现了实验考查方式的创新，一举两得，在促成学生科学探究、科学思维与能力方面效果显著。

探究问题：若用天平测出木块的质量为M，砝码和盘的总质量为m，重力加速度为g，该实验如何测木块与长木板之间的动摩擦因数？

探究与分析：对于摩擦因数的求解，如果有课本原型实验的理论基础，那么就很容易得到结果。即，对木块进行受力分析得：F-μMg=Ma;对砝码盘和砝码进行受力分析得：mg-F=ma;联立两式得：μ=，对于加速度的求解和课本原型实验的求解方法保持一致。

综上所述，近年来高考考查物理实验，形式多样、不断变化、不断创新，为提高备考效率进而落实教育教学改革的总体任务，作为一名物理教师，深度分析课本原型实验和探究基于原型实验的创新型实验，注重培育学生物理学科科学思维、科学探究的核心素养应该是一条必由之路。

【参考文献】

[1]陈运保，张善奎.近十年我国物理教育领域科学思维研究综述[J].物理教学探讨，2021（9）：1-6.

[2]吴畅.提高高中物理实验教学有效性的策略研究[J].湖南中学物理，2018（9）：69-71.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].2018：1-15.