胡克定律探究實(shí)驗(yàn)的二次改進(jìn)

安徽省蚌埠第一實(shí)驗(yàn)學(xué)校(233000) 王馳明 王 芳

人教版物理必修1第3章“相互作用”第2節(jié)“實(shí)驗(yàn)：探究彈簧彈力與彈簧形變量關(guān)系”是中學(xué)階段重要的探究實(shí)驗(yàn)，使用彈簧測(cè)力計(jì)是力學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)，對(duì)于認(rèn)識(shí)彈力、重力、摩擦力、浮力等概念具有重要意義，能幫助學(xué)生完成對(duì)力的初步認(rèn)識(shí)，為今后學(xué)習(xí)力學(xué)知識(shí)打下必要的基礎(chǔ)。

1 常規(guī)探究胡克定律實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)際教學(xué)和各類比賽中教師通常采用鐵架臺(tái)、直尺等器材組裝而成的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。該裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、操作不方便，采集數(shù)據(jù)時(shí)誤差大，不利于開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

圖1 常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)方案的一次改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的主要結(jié)構(gòu)

方案一采用豎直面內(nèi)懸掛輕質(zhì)彈簧的方式。如圖2所示，將輕質(zhì)彈簧一端固定，另一端通過(guò)細(xì)繩跨過(guò)定滑輪拉伸彈簧。輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示彈力的橫坐標(biāo)軸重合，縱坐標(biāo)記錄彈簧的形變量。增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)可使彈簧的彈力成倍增加，彈簧發(fā)生形變，帶動(dòng)輕桿向下運(yùn)動(dòng)。輕桿所在位置對(duì)應(yīng)刻度即為彈簧伸長(zhǎng)量，與事先標(biāo)注好的表示彈力的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)。描繪出輕桿與豎直虛線的交點(diǎn)，連接各點(diǎn)得出彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系，省去記錄數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，更換復(fù)印膠片可進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。

1-儀器底座;2-立板;3-復(fù)印膠片;4-水平輕桿;5-細(xì)繩;6-輕彈簧;7-滑輪;8-砝碼勾;9-鉤碼圖2 探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系演示儀1

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案相比操作簡(jiǎn)單、攜帶方便，便于開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)，省去了記錄數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，減少實(shí)驗(yàn)誤差。但該裝置采用彈簧豎直懸掛的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于彈簧自重的影響，實(shí)際上測(cè)量的不是彈簧彈力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系，而是彈簧彈力變化量與彈簧形變量的關(guān)系，很多教師在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)并沒(méi)有說(shuō)明這一點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案二較好的解決了這個(gè)問(wèn)題。

方案二：人教版教材中彈簧的拉伸實(shí)驗(yàn)是把彈簧水平放置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。細(xì)微的變化其實(shí)反映的是教材編者對(duì)于這一問(wèn)題的重視，彈簧水平放置測(cè)量的才是彈簧彈力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系。受這一變化啟發(fā)，筆者設(shè)計(jì)了探究“探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系演示儀”，如圖4所示?？紤]到彈簧如果水平放置在桌面上拉動(dòng)會(huì)有摩擦的存在，而且水平放置觀察性也較差，該方案采用豎直面內(nèi)水平懸掛輕質(zhì)彈簧的方式。將輕質(zhì)彈簧一端固定，另一端通過(guò)細(xì)繩跨過(guò)定滑輪拉伸彈簧。輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示力的坐標(biāo)軸重合，通過(guò)增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)可使彈簧的彈力成倍增加，彈簧發(fā)生形變帶動(dòng)輕桿沿橫軸移動(dòng)，輕桿所在位置對(duì)應(yīng)的刻度即為彈簧伸長(zhǎng)量。描繪出輕桿與豎直虛線的交點(diǎn)，連接各點(diǎn)可得出彈簧彈力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系，省去記錄數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，更換復(fù)印膠片可進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。

圖3 人教版教材實(shí)驗(yàn)

1-儀器底座;2-立板;3-彈簧;4-復(fù)印膠片;5-滑輪;6-砝碼勾;7-鉤碼;8-豎直輕桿;9-細(xì)線圖4 探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系演示儀2

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中的探究過(guò)程

2.2.1 方案一實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

(1)將輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示力的坐標(biāo)軸重合，沿縱坐標(biāo)移動(dòng)的輕桿記錄了彈簧的形變量，橫軸表示彈力。

(2)向砝碼鉤上依次增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)，描繪出輕桿與豎直虛線的交點(diǎn)得到一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。

(3)用平滑曲線擬合各點(diǎn)得到表示彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系，如圖5所示。學(xué)生展示成果，進(jìn)行小組討論后，抽選代表分析圖像代表的意義。結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)得出：彈簧彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比。

圖5 彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系圖1

2.2.2 方案二實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

(1)輕桿初始位置與復(fù)印膠片上表示力的坐標(biāo)軸重合，沿橫坐標(biāo)移動(dòng)的輕桿記錄了彈簧的形變量，縱軸表示彈力。

(2)向砝碼鉤上依次增加鉤碼(鉤碼質(zhì)量為50 g)，描繪出輕桿與豎直虛線的交點(diǎn)。

(3)用平滑曲線擬合得到表示彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系，如圖6所示。學(xué)生展示成果，進(jìn)行小組討論后，抽選代表分析圖像代表的意義。結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)得出：彈簧彈力與彈簧的伸長(zhǎng)量成正比。

圖6 彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量關(guān)系圖2

3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

(1)用立板替代鐵架臺(tái)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，攜帶方便，便于開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)。

(2)彈簧由豎直放置改為水平放置，能夠克服自重對(duì)測(cè)量伸長(zhǎng)量的影響， 解決了許多教師在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)中遇到的這一問(wèn)題，真正測(cè)量彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系。

(3)用復(fù)印膠片替代坐標(biāo)紙，便于投影。同時(shí)，也可將兩張膠片重疊進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。通過(guò)采用不同彈簧分析兩條直線的斜率變化，能較好的使學(xué)生明白彈簧彈力與彈簧勁度系數(shù)有關(guān)。

圖7 對(duì)比分析圖

(4)以彈簧原長(zhǎng)末端為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，通過(guò)尋找輕桿和表示力大小的虛線交點(diǎn)連線直接擬合出彈簧彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的線性關(guān)系，省出記錄采集數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的的學(xué)科，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，為此要求教師應(yīng)利用一些自制教具來(lái)輔助教學(xué)，把創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和物理教學(xué)有機(jī)融合。教師進(jìn)行低成本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，并將其帶進(jìn)課堂，相比于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更貼近生活。同時(shí)，可以鼓勵(lì)學(xué)生利用現(xiàn)有知識(shí)和身邊的器材積極參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作中來(lái)，有意識(shí)的培養(yǎng)他們的探索精神和動(dòng)手能力。

自制的兩組教具給學(xué)生提供了豐富的實(shí)驗(yàn)器材，在課堂教學(xué)中能夠支撐學(xué)生的建構(gòu)活動(dòng)。鼓勵(lì)學(xué)生在問(wèn)題中思維，在情景中歸納，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在活動(dòng)中交流與合作，從中體驗(yàn)科學(xué)探究的成功和喜悅。學(xué)生從這個(gè)過(guò)程中掌握了探究物理知識(shí)的方法，培養(yǎng)了科學(xué)探究精神，吸收了抽象的物理知識(shí)。