一個教材探究性實驗的教學探討

江西師范大學物理與通信電子學院(330022) 周新雅 沈林東 胡超越 周 行

“用彈簧測力計測量力”是《義務教育物理課程標準(2011年版)》要求必須做的20個實驗之一。在初中物理教材實驗中多處涉及使用彈簧測力計，其中大多是條形盒式測力計。令人稱奇的是鮮有教材介紹條形盒式測力計在水平、傾斜和倒置狀態(tài)時如何調(diào)零，唯一有的也僅僅是在豎直向下使用時的說明。更加叫人感到困惑的是，按照一些教材描述的去使用彈簧測力計探究“定滑輪工作特點”時，無論是研討課還是示范課都是測量值與理論值相距甚遠，一些教師每每遇到這樣的情況常將其歸結(jié)為彈簧秤使用前沒有校零、失靈和讀數(shù)不準，或?qū)⑵涿枋龀赡Σ恋仍驅(qū)е碌臏y量誤差。而在一個定量測量的探究性實驗中得出的竟然是定滑輪“省力”的結(jié)論，這顯然無法幫助初學者形成正確的“定滑輪”觀念。這樣的困境是許多一線教師曾經(jīng)遇到過的，亟待深入探討和進一步厘清。

1 按教材插圖進行實驗發(fā)現(xiàn)定滑輪竟然“省力”

對“定滑輪工作特點”的探究在眾多初中物理教材中大都設置了實驗或活動，并且附帶了實驗插圖供實驗者借鑒。如滬粵2013版八年級下冊物理教材中“探究定滑輪的作用”的插圖(如圖1所示)。

圖1 教材插圖

將條形盒式測力計按照圖1所示的水平、傾斜、倒置三種狀態(tài)進行探究，砝碼重1.5 N，通過定滑輪水平、傾斜、倒置測力計拉砝碼測力計示數(shù)分別為1.37 N、1.35 N、1.32 N。學生輕易得出“定滑輪省力”的結(jié)論，這與實驗目的得出“定滑輪不省力”完全背道而馳，這也正是近些年來困惑許多一線教師的問題。

有鑒于此，有必要對定滑輪“省力”產(chǎn)生的原因進行分析，并提出相應的改進方案，將定滑輪從“省力”的歧途拉回到“不省力”的正軌上來。

2 定滑輪“省力”原因的分析

2.1 水平、傾斜狀態(tài)下使用條形盒式測力計導致的“省力”

在水平、傾斜狀態(tài)下，條形盒式測力計的彈簧和秤桿會由于受自身重力的影響而與外殼發(fā)生觸碰擠壓，增大了測力計本身的摩擦，從而導致測力計示數(shù)偏小。又由于測力計在使用之前大都要進行調(diào)零，若是將條形盒式測力計先正立調(diào)零，再水平、傾斜使用，勢必會使得示數(shù)更進一步偏小。這是因為在正立狀態(tài)下調(diào)零的條形盒式測力計的彈簧實際上受到其自身、秤桿以及掛鉤的重力而處于拉伸狀態(tài)，將其放置水平或者傾斜的過程中彈簧會收縮回去或拉伸變少。

有的教師提出了條形盒式測力計水平調(diào)零的方法，如《物理教學》在2016年第5期“也說彈簧測力計的調(diào)零”一文中，是按照圖2所示的方法測量條形盒式測力計在水平狀態(tài)受到的摩擦力大小，可以減小測量水平拉力時因摩擦而帶來的誤差。但是這一方法必須是在學生已經(jīng)掌握定滑輪知識的基礎上才能被理解和接受，而在初學定滑輪知識時就采用這種水平調(diào)零方法顯然并不合適。而且，此時的摩擦是測力計本身的摩擦和其與桌面的摩擦，若測力計并非放在桌面上水平使用，而是懸在空中水平使用，秤中的彈簧根本做不到水平，另外還會與外殼摩擦，這種水平調(diào)零方法反而會使得示數(shù)偏大，定滑輪又變成了“費力”裝置。

圖2 測量測力計水平狀態(tài)下的摩擦力

此外，條形盒式測力計在傾斜狀態(tài)下如何調(diào)零尚無新的方法，若是按照傳統(tǒng)的在豎直方向調(diào)零再傾斜使用，示數(shù)無疑還是偏離真實值的。

2.2 倒置狀態(tài)下使用條形盒式測力計導致的“省力”

條形盒式測力計本身是有一定的自重的。在正立狀態(tài)下，其重力是由人或裝置提供的拉力平衡的，測量對象受到的拉力由測力計提供，因此測力計的示數(shù)大小就是測量對象受到的拉力的大小。而在倒置狀態(tài)下，其重力卻是由測量對象提供的拉力平衡的，此時測量對象所受到的拉力是測力計的重力和人的拉力之和，那測力計的示數(shù)大小就要比測量對象實際受到的拉力小。

為了避免測力計本身重力的影響，有的教師提出了一些倒置使用彈簧測力計的調(diào)零方法(用的都是條形盒式測力計)，如“持殼調(diào)零法”“倒提秤鉤調(diào)零法”“互拉調(diào)零法”等。雖然這些方法可以在一定程度上減少測力計本身重力帶來的影響，但誤差仍然較大。其中“互拉調(diào)零法”是測出條形盒式測力計的重力大小，再將其在正立狀態(tài)下將指針所指的示數(shù)調(diào)至與其重力大小一致的位置。若不施加拉力的情況下，正立狀態(tài)下測力計的彈簧是受到其自身、秤桿以及掛鉤的重力而處于拉伸狀態(tài)，而倒置狀態(tài)下的彈簧是受到其自身、外殼、拉環(huán)的重力而處于拉伸的狀態(tài)。很顯然，正立與倒置兩種狀態(tài)下彈簧的形變情況不一樣，所以這種“互拉調(diào)零法”仍不能“調(diào)零”。而且當外殼、拉環(huán)的重量與秤桿、掛鉤的重量相比越大，定滑輪越“省力”。

除了條形盒式測力計之外，平板式測力計、圓筒式測力計、演示型測力計在水平、傾斜、倒置狀態(tài)下使用均存在與條形盒式測力計同樣的問題。

3 對定滑輪實驗改進的探討

歸納總結(jié)知網(wǎng)上一線教師發(fā)表的有關(guān)“定滑輪實驗改進”的論文，概括起來主要是從實驗方法進行改進的三種方法。

3.1 從實驗方法上進行改進

方法一：改變定滑輪兩側(cè)力的方向

將定滑輪兩側(cè)力的方向從向下改為向上(如圖3所示)，并且力都改為用測力計來提供，便于比較兩側(cè)拉力的大小。此時兩側(cè)拉力大小相等，可驗證定滑輪不省力。但是，當水平拉動一側(cè)的條形盒式測力計時，兩測力計的示數(shù)發(fā)生了變化，而且右側(cè)的示數(shù)很明顯小于左側(cè)的示數(shù)，此時的定滑輪是“省力”的。

圖3 改變定滑輪兩側(cè)力的方向

方法二：在定滑輪另一側(cè)增加測力計

在定滑輪兩側(cè)的對應位置上也掛上一個同種規(guī)格的條形盒式測力計(如圖4所示)，可以看出左右兩側(cè)測力計的示數(shù)相等，此時的定滑輪也是不省力的。當斜拉右側(cè)的條形盒式測力計時，發(fā)現(xiàn)右側(cè)測力計的示數(shù)增大，此時定滑輪是“費力”的。

圖4 在定滑輪一側(cè)增加測力計

方法三：用對應的重物代替測力計

為了避免測力計本身摩擦和重力的影響，擯棄了測力計，取而代之的是在定滑輪另一側(cè)也掛上同樣重的鉤碼，如圖5所示。在兩側(cè)鉤碼的作用下定滑輪保持了平衡，很輕易就能得出“定滑輪不省力”這一結(jié)論。但是，這個方法只能定值驗證，對于在非定值情況下并不適用；而且拉力的方向都是豎直向下的，并不能改變。

圖5 用重物代替測力計

以上三種改進方法都在一定程度上解決了條形盒式測力計摩擦和自重的問題，但都只能驗證豎直方向上的“定滑輪不省力”問題，而其他的方向上并未進行驗證且不能進行有效驗證。若在教學中只演示豎直方向上“定滑輪不省力”，并由此得出所有方向都遵循“定滑輪不省力”的結(jié)論，未免有“以偏概全”之嫌，勢必將會給學生起到一個不好的示范引領作用。任何實驗的成功都不是一蹴而就、信手拈來的，都需要教師提前去演練實驗、積攢經(jīng)驗、掌握技巧，只有這樣才能保證實驗取得成功。好在天無絕人之路，方法總比困難多。

3.2 從儀器選擇上進行改進

其實測力計的種類很多，除了常用的條形盒式測力計、圓筒式測力計外還有雙向測力計、圓盤式測力計、力傳感器等。按照可測量力的方向的多少進行分類，測力計大致可以分為單向、雙向和多向測力計。對“定滑輪工作特點”的探究總能找到合適的測力計。

選擇一：雙向測力計

常見的雙向測力計如圖6所示，在物理教學和物理實驗中的用途是用來測量拉力和物體的重力，可選作驗證“定滑輪不省力”的實驗儀器。

圖6 雙向測力計

選擇二：多向測力計

圓盤式測力計是常見的多向測力計，如圖7所示。它在測量力的大小和方向方面具有的特點是：可測拉力和壓力；可測量各個方向力的大??；將力的大小轉(zhuǎn)化為指針轉(zhuǎn)動角度的大小。

圖7 圓盤式測力計

定滑輪的工作特點除了“不省力”以外，還有“可以改變力的方向”這一特點，而在以往的教學、演示和改進實驗中最多只能驗證定滑輪在豎直方向上不省力，對于其他方向上“無能為力”。圓盤式測力計似乎就是為了專門解決這一問題而設計的。利用它既能夠有效地解決這種“無能為力”的困境，又可以實時動態(tài)進行演示。用圓盤式測力計按照圖1所示進行實驗，實驗結(jié)果如圖8所示。學生能真實地觀察和體驗到“定滑輪真的是不省力，但可以改變力的方向”。這兩個特點正是定滑輪實驗所要得出來的，恰好也是圓盤式測力計最適宜測量的。

圖8 實驗結(jié)果

除了圓盤式測力計之外，力傳感器也不失為一種適宜進行定滑輪實驗探究的儀器。但由于其價格比較貴，且需要電腦和相應軟件加以輔助。在一些發(fā)展相對緩慢的城鎮(zhèn)學校顯然較難普及，而較為便宜的圓盤測力計則更適宜這些地方的教學。

4 總結(jié)

現(xiàn)如今平板式演示測力計、條形盒式測力計、圓筒式測力計在物理教學中的使用已經(jīng)相當普遍，由于思維定勢使得大家只要是測量力便會首先想到使用這些測力計。但是，“最常想到的測力計”卻非“最適宜的測力計”，這些測力計通過實驗將它們存在的諸多問題暴露無疑。因此，對于測力計應該要“量力而行”，在最適宜它們發(fā)力的地方使用，發(fā)揮它們最大的作用。