“测量纸锥下落的速度”实验创新设计

江苏省无锡市凤翔实验学校(214000) 胡玉莲

“测量纸锥下落的速度”是苏科版初中物理教材八年级上册第5章第2节的内容，它是初中生接触到的第一个完整的测量和计算类实验。实验目的是：让学生了解测量速度的基本方法，会用刻度尺和秒表测量做直线运动物体的速度；进一步认识多次测量求平均值的方法可以减少误差[1]。教材对于该实验的描述仅三句话：①要测量纸锥下落的速度，你认为需要测量哪些物理量？②你选用的实验器材？③请你设计一个实验数据记录表，然后测量并计算纸锥下落的速度[2]。这就从实验器材选取和实验教学设计等方面给教师留了很大的空间。

1 实验存在的问题

笔者在线下和线上听了很多节有关该实验的课，老师们的实验设计几乎都是：A同学拿着纸锥将纸锥从某一高度释放并发出信号；B同学用米尺测量高度；C同学听到信号开始计时，看到纸锥落地停止计时。这样的实验存在的问题颇多。

1.1 时间测量

上述实验时间测量误差较大，主要是由以下几个原因造成的。一方面，由于纸锥下落的高度较低，加上普通材质纸做成的纸锥质量太大，下落速度太快，导致纸锥下落时间太短；另一方面A同学释放纸锥的同时发出计时信号，C同学听到信号后才按下秒表开始计时，中间有一段人的反应时间[3]。也就是开始计时无法与纸锥开始下落瞬间同步，导致了时间测量的误差。另外，C同学站的高度稍高，使停止计时无法与纸锥落地瞬间同步，也增加了时间测量的偏差。

1.2 高度测量

由于米尺最多只能测量1 m的长度，所以实验中释放纸锥的高度选择都比较低，当选择较高高度时只能用米尺先测一段再“腾空”做标记再测一次，这样增加了高度测量的困难。另外，本实验需要选定某一高度再多次测量时间，以达到多次测量求平均值减少误差的目的，所以需要将纸锥固定在某一位置，但是学生用手不太容易固定，这也增加了高度测量的偏差。

2 创新实验设计

2.1 器材准备

为解决以上时间测量和高度测量上存在的问题，笔者设计了一种新的“电控装置”。准备以下器材：直径2.5 cm、长1.3 m的PVC管1根，直径2 cm、长1 m、23 cm、15 cm的PVC管各1根，转接头2个，定电压6V、可吸5 kg电磁铁1个，3 m长导线2根，厚透明胶、厚双面胶，橡皮筋，单刀单掷开关，电池盒，1号干电池2节，铁架台，高级擦镜纸，图钉，实物如图1所示。

图1 实验器材

2.2 电控装置和纸锥制作

(1)将直径2 cm、长15 cm的PVC管一端打磨光滑，再开一小口，以便电磁铁导线放入；将电磁铁的螺帽先固定在电磁铁中，用厚透明胶粘在电磁铁金属片的一面，并与光滑的PVC管紧紧相连；将2根导线与电磁铁接线端相连，如图2所示。

图2 步骤(1)图示

(2)用转接头将直径2 cm、长23 cm和直径2 cm、长15 cm的2根PVC管连接，并将导线放入其中；在直径2 cm、长1 m的PVC管上套上厚的橡皮筋，用转接头将直径2 cm、长23 cm和直径2.5 cm、长1.3 m的PVC管连接，并将导线放入，再将直径2 cm、长1 m管放入直径2.5 cm、长1.3 m管中，最后将直径2.5 cm、长1.3 m的PVC管固定在铁架台上，如图3所示。

图3 步骤(2)图示

(3)用厚双面胶将开关固定在铁架台上，连接好开关和电源，如图4所示。

图4 步骤(3)图示

用普通材质的纸制作的纸锥下落速度太快，且运动轨迹不是一条直线。因此，笔者建议选取高级擦镜纸来做纸锥，将其制作成半径8 cm、锥角60°～70°左右的纸锥，这样的纸锥下落速度更慢、且运动轨迹近乎直线。由于要做电控装置，所以需要在纸锥底部固定一铁片，经过笔者大量试验，发现图钉是最好的材料，将图钉尖用老虎钳掰掉，再用锤子将图钉砸平，用少量双面胶将图钉帽粘在纸锥顶部，如图5所示。

图5 纸锥的制作

2.3 器材使用原理及优点

本器材主要是利用了电磁铁“通电有磁性，断电无磁性”的原理。实验时先将橡皮筋固定到某一位置，即可将电磁铁固定，进而将纸锥固定在较高的高度，所以橡皮筋的作用是调节和固定纸锥下落的高度。开关闭合，电磁铁通电有磁性，吸引纸锥底部的图钉从而将纸锥固定在较高的高度。注意：这里为了避免电磁铁中间的螺丝被磁化，我们选择2节1号干电池即让电磁铁实际电压为3 V即可。待A同学用卷尺测量好高度，B同学在地上较低位置一手断开开关(纸锥立马下落)，在断开开关的同时一手开始计时，这样就可以做到计时与控制纸锥下落是同一人，且能同步，减少了由于人的反应时间带来的时间测量误差；又因为B同学可一直在地上较低位置，所以也比较容易做到停止计时与纸锥落地同步。再次把开关闭合，将纸锥固定；断开开关，开始计时；纸锥落地，停止计时，如此重复多次即可。

本电控装置操作方便，设计简单，能将纸锥固定在某一较高的高度；能使操作纸锥与计时由同一学生完成，减少由于人的反应时间带来的误差；且计时员一直在较低的位置，可更清楚更方便看到纸锥落地瞬间，既降低了学生实验的难度，又提高了实验的准确度。

3 结语

目前初中物理实验教学存在着诸多的难题。由于实验现象不明显，实验比较“难”做，老师和学生都出现了“畏难”情绪，从而对实验的热情和兴趣不高[4]。由于应试教育，老师要“赶进度”，学生要“抓分数”，所以部分老师会用“讲实验”代替“做实验”，最终导致学生动手能力差，缺乏科学探究，从而在培养学生核心素养这一部分有所缺失。解决这些难题的有效途径就是对实验进行创新，帮助学生降低实验难度，提高实验效率，培养对实验的兴趣，掌握科学的实验探究方法，培养科学思维。