“探究影响物体动能大小的因素” 实验之“四改”

吴秀银

摘   要：本实验属于人教版八年级物理下册第十一章第三节的内容，起到承上启下的作用，是应用控制变量法和转换法的典范，能有效地培养学生的科学探究能力，促进核心素养的落实。按教材设计方案选择的实验器材进行实验，存在几个方面的不足，文章从原实验器材与方案的不足与如何进行优化实验效果两大方面进行阐述。

关键词： 动能实验；改进；改善；优化效果

本节是人教版八年级物理下册第十一章第三节的内容，是做功知识的延伸，为能量转化、能量守恒、内能等知识做铺垫，起到承上启下的作用，通过实验加深对动能的理解。按人教版教材上所选择的实验器材进行实验，发现存在几个方面的不足，本文从改进实验装置、改善实验方法、改变实验步骤和改善实验数据记录表格等方面优化实验效果进行阐述。

1  原实验存在的不足与问题

1.1  实验装置问题

人教版教材设计方案中实验器材有斜面、体积不同，质量不同的小球和空心的长方体物块（如图1所示）。让小球从斜面上滚下，小球碰上物块后能将空心的长方体物块撞出一段距离，利用物块滑行的距离表示小球动能的大小。探究质量对物体动能的影响时选用两个质量不同（体积不同）的小球分别进行实验。

（1）小球下落高度跟物块滑行距离没有精确测量，不易对比。

实验中对小球下落的高度以及长方体物块滑行的距离没有精确的测量，如果小球下落的高度以及长方体物块滑行的距离相差不大时，不容易进行比较。

（2）体积不同的小球受到空气阻力不同。小球与空心物块可能发生多次碰撞。

选取两个质量不同的小球时两个小球的体积也不同，体积不同的小球受到空气阻力不同，这就造成在探究质量对物体动能因素的影响实验时难以保证质量是唯一变量。且长方体物块是空心的，小球与长方体物块可能发生二次或者多次碰撞，碰撞时造成的能量损失无法衡量，物块滑行的距离不能准确表示小球的动能。

（3）小球与空心的长方体物块在运动过程中可能发生偏移。

小球从斜面上滚下与长方体物块碰撞时的接触面不大，难以保证空心的长方体物块能一直保持沿直线滑行，物块在滑行时很容易发生偏移。

1.2  测量方法不够完善

（1）无法同时呈现多次实验。

原实验方案中利用只有一个斜槽的斜面进行实验，每次实验都需记录下小球的质量、在斜槽上下落的高度以及长方体物块滑行的距离，这样操作起来繁琐，不够直观，不易对比。

（2）难以保证小球下落条件完全相同。

原实验方案中提到让小球多次从斜面上由静止开始滚下，实际操作起来很难让小球从斜面上静止下落，难以保证三次小球从斜槽上下落的条件完全相同。

（3）用小球下落高度来表示小球进入水平面的速度，学生理解上存在困难。

利用小球下落的高度来表示小球进入水平面的速度，小球下落的高度越高，则说明小球进入水平面的初速度越大，小球下落的高度越低，则小球进入水平面的初速度越小，这一点对于八年级的学生来说在理解上是存在困难的。

2  实验的改进与创新

改进后的实验器材如图2所示，有带刻度的圆弧形三道滑轨、三个相同的光控灯、材质相同，体积相同，质量不同（空心）的若干个小球、三个相同的实心圆柱体、宽度可调的分割槽。利用小球从滑轨上下落推动水平滑轨上的圆柱体的距离来表示小球的动能。质量不同的小球同时从滑轨上静止下落，若光控灯同时亮起说明小球进入水平滑轨的初速度相同，从光控灯亮起顺序比较小球进入水平滑轨的速度。

2.1  改进实验装置

（1）带刻度的滑轨可以精确记录小球下落位置跟圆柱体滑行距离。

将原来的斜面改成用PVC管做成的三轨圆弧形滑轨，并在滑轨旁贴上刻度条，可以精确测量三个小球下落的位置以及圆柱体滑行的距离，便于进行比较。

（2）同种材质相同体积但质量不同（空心）的小球和三个相同的实心圆柱体避免二次碰撞。

将原器材中质量不同，体积不同的小球改成同种材质，相同体积但质量不同（空心球，球壁厚度不一样）的小球进行实验，可以避免因小球体积不同所受空气阻力不同而造成的误差，确保在探究物体动能与物体质量的关系时质量是唯一的变量。将空心的长方体滑块改成三个相同的实心圆柱体，尽量避免小球与实心圆柱体发生多次碰撞。

（3）圆弧形滑轨，避免小球与圆柱体发生偏移。

将原器材的斜面改成圆弧形滑轨，用圆柱体代替原来的长方体滑块，增加了小球与圆柱体的接触面积比例，可以避免小球和圆柱体木块在运动过程发生偏移。

2.2  改善实验方法

（1）三轨同步实验，现象直观。

改进后可以利用三条滑轨同时进行实验，现象直观明显，易于对比，便于得出结论。

（2）宽度可调的分割槽，可改变小球下落高度，保证三个小球同时从滑轨上下落。

配置一个分隔槽，便于改变小球下落的高度，分隔条之间的宽度可调，可以多次改变小球在滑轨上下落的高度，降低操作难度，缩短实验时间。且能保证三个小球从滑轨上下落的条件相同。

（3）三个相同的光控灯，能直观地比较小球到达水平滑轨初速度大小关系。

給三条滑轨进入水平滑轨部分添加三套独立的光控灯。从学生已有的知识储备以及认知能力上进行分析，学生会知道在相同的条件下，小球通过相等的路程如果所用的时间也相等，则小球的速度也相等，所以在三条滑轨进入水平滑轨部分添加三套独立的光控灯（光敏电阻），三个质量不同的小球进过各自的光控灯时若灯能同时亮起，则说明三个小球进入水平滑轨时的速度相等。现象明显，符合学生的认知发展水平，易于理解。

2.3  改变实验步骤

引导学生进行分析，设计实验，在探究速度影响物体动能时，将速度的大小转化为光控灯亮起的先后，先演示三个质量相同或质量不同的小球从斜槽同一高度同时静止滑下，观察三个光控灯同时亮起的现象，再进行实验（如图3所示）。将三个同种材质、质量体积都相同的小球从三个斜槽上不同的高度同时静止滑下或者三个材质、体积相同但质量不同的小球从三个斜槽上相同的高度同时静止滑下，记录小球的质量、下落位置以及圆柱体滑行的距离，再进行数据分析与论证，得出结论（如图4所示）。

2.4  改善实验记录表格

原实验方案中没有明确的记录实验数据表格，改进实验装置后，引导学生对实验数据记录表格进行设计（如表1与表2所示），对所记录的实验数据进行分析论证，便于得出正确的结论。

3  教学反思及自我评价

物理课程是一以实验为基础的自然科学课程[ 1 ]，具有基础性、实践性等特点。2022版义务教育物理课程标准中科学探究做为物理学科核心素养之一[ 2 ]，而实验是落实物理课程育人要求的重要载体。在“双减”政策下，在实验课上引导学生进行分析，根据学情及实际实验内容设计实验方案，对原实验方案不足之处大胆提出，并进行改进与创新，以实验课为载体，培养学生的问题意识、增强实验设计与动手操作能力、提高实验探究能力。培养质疑、创新精神，让学生感受到在实验设计到实验操作过程所带来的乐趣和成就感，增强学习兴趣。学生利用本套改进后的器材进行实验，可以克服原实验器材与实验方案的不足，很好地突破了实验的重难点，优化实验效果，较好地促进物理学科核心素养的有效落实。

参考文献：

［1］ 袁爱国.对影响动能的因素探究实验的改进 [J].物理通报，2010（12）：89-90.

［2］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022版） [S].北京：北京师范大学出版社，2022.