基于教材实验方案的改进与创新
—— 胡克定律的实验研究

王驰明 王 芳

(安徽省蚌埠第一实验学校，安徽 蚌埠 233000)

1 问题的提出

人教版《物理》必修1第3章“相互作用”第2节“实验:探究弹簧弹力与弹簧形变量关系”是中学阶段重要的探究实验．用弹簧测力是力学测量的基础,对于认识弹力、重力、摩擦力、浮力等概念具有重要意义,能帮助学生完成对力的初步认识,为今后学习力学知识打下必要的基础．

图1 常规实验装置

在实际教学和比赛中教师通常采用由铁架台、直尺等器材组装而成的实验装置,该组装置结构稳定性差、携带不方便,采集数据时误差大,不便于开展实验．同时该装置采用弹簧竖直悬挂的方法进行实验,由于弹簧自重的影响,实际上测量的不是弹簧弹力与伸长量的关系,而是弹簧弹力变化量与弹簧形变量的关系,很多教师在进行演示实验时并没有说明这一问题．

2 实验方案改进

2.1 拉伸实验的改进与创新

图2 人教版教材实验方案

人教版教材中弹簧的拉伸实验是把弹簧水平放置进行实验如图2,细微的变化其实反映的是教材编者对于这一问题的重视,弹簧水平放置测量的才是弹簧弹力与伸长量的关系,受这一变化启发笔者设计了如下这套探究“探究弹力与弹簧伸长量关系演示仪”如图3所示,考虑到弹簧如果水平放置在桌面上拉动就会有摩擦的存在,而且水平放置观察性也差,本设计采用竖直面内,水平悬挂轻质弹簧方式,将轻质弹簧一端固定,另一端通过细绳跨过定滑轮拉伸弹簧．轻杆初始位置与复印胶片上表示力的坐标轴重合,通过增加钩码(钩码质量50 g)可使弹簧的弹力成倍增加,轻杆也沿表示伸长量的横轴移动,轻杆所在位置对应刻度即为伸长量,描绘出轻杆与水平虚线的交点,连接各点可得出弹力与伸长量的关系,省去记录数据的环节,更换复印胶片可进行多次实验．沿横坐标移动的轻杆记录了弹簧的形变量,纵轴表示弹力,与事先标注好的虚线(表示弹力大小)对应.

1. 仪器底座； 2. 立板； 3. 弹簧； 4. 复印胶片； 5. 滑轮 6. 砝码钩； 7. 钩码； 8. 竖直轻杆；9. 细线

改进1.用立板替代铁架台结构更稳定,携带方便,便于开展演示和分组实验．

改进2.将弹簧由竖直放置改为水平放置克服自重对测量伸长量的影响, 解决很多教师在进行演示实验中遇到的这一问题,真正测量弹簧弹力与弹簧伸长量的关系,体现和落实教材编者的思想．

改进3.采用竖直面内水平悬挂弹簧,克服摩擦力影响,实验更准确．

创新1.用复印胶片替代坐标纸,便于投影同时也可将将两张坐标纸重叠,通过采用不同弹簧分析两条直线的斜率变化能较好的使学生明白弹簧弹力与劲度系数有关．

创新2.以弹簧原长末端为坐标原点建立直角坐标系,通过寻找轻杆和表示力大小的虚线交点连线直接拟合出弹力与弹簧伸长量的线性关系,省去记录采集数据的环节,减小实验误差．

2.2 拉伸实验的设计与创新

传统教学缺乏压缩实验的方案,多数教师只演示拉伸实验,在拉伸实验的结论上直接给出压缩结论,学生缺乏感性认识．为了解决这个问题,笔者利用实验室常见器材设计了一套“探究弹力与弹簧压缩量关系演示仪”如图4所示,教学起到良好效果．

图4 探究弹力与弹簧压缩量关系演示仪

2.2.1 创新实验设计

(1) 创新实验装置.

利用100 mL量筒、压缩弹簧、钩码、复印胶片．将直径比试管口径略小的压缩弹簧置入其中,在弹簧上端加一红色垫片,以此位置为0刻度,向下递增标出刻度．依次将钩码(钩码质量50 g)置于试管中压缩弹簧,添加钩码可以使弹力成倍增加．每次红色垫片所指位置对应的刻度即为此时弹簧压缩量,直接将弹力大小和弹簧的压缩量标注印有坐标系的复印胶片上．复印胶片的纵坐标表示弹力,横坐标表示弹簧的压缩量,结合数学知识得出弹簧弹力与弹簧压缩量的关系．

(2) 实验装置创新点.

实验取材方便,补充教材中没有压缩实验方案的缺陷,可使学生动手实验可以将抽象的物理知识直观化,符合学生的认知特点．

实验数据处理简单,在求弹簧的压缩量时将传统的两次读数相减改成一次测量直接得到压缩量,减少了测量误差．

实验操作方便,学生可以通过向试管中增加钩码的方法使弹力成倍增加,操作简单易行．

用带有坐标系的复印胶片替代表格收集数据直接作图,结合数学知识更直接分析数据,同时也便于投影观察图像特点,把两组用不同弹簧得到的图片重合,便于学生了解图像斜率与弹簧劲度系数之间的内在联系．

3 实验探究，分享成果

3.1 拉伸实验的探究

图5

轻杆初始位置与复印胶片上表示力的坐标轴重合,向砝码钩中依次增加钩码(钩码质量50 g)轻杆随之移动,沿横坐标移动的轻杆记录了弹簧的形变量,纵轴表示弹力,描绘出轻杆与水平虚线的交点,用平滑曲线拟合得到表示弹簧弹力与弹簧伸长量关系如图5所示,学生展示成果小组讨论后,抽选代表分析图像代表的意义,结合数学知识得出:弹簧弹力与弹簧的伸长量成正比．

3.2压缩实验的探究

图6

依次将钩码(钩码质量50 g)置于试管中压缩弹簧,添加钩码可以使弹力成倍增加．每次红色垫片所指位置对应的刻度即为此时弹簧压缩量,直接将弹力大小和弹簧的压缩量标注印有坐标系的复印胶片上如图6所示,学生展示成果小组讨论后,抽选代表分析图像代表的意义结合数学知识得出:弹簧弹力与弹簧压缩量成正比．

图7

得出弹簧弹力和弹簧形变量关系后,将两幅复印胶片的直角坐标系重叠如图7所示,通过引导学分析图像的异同点进而使学生明白:弹簧的弹力不仅与弹簧的形变量有关,还跟弹簧的材料、长度、粗细等因素有关,自然得出胡克定律.

3.3 实验结论

由弹簧弹力与弹簧的伸长量成正比，弹簧弹力与弹簧的压缩量成正比得弹簧弹力与弹簧的形变量成正比.

胡克定律:在弹性限度内,弹簧发生弹性形变时,弹力的大小F跟弹簧形变量(伸长或缩短的长度)x成正比．

F=kx，

其中k——弹簧的劲度系数,单位:N/m, 由弹簧的材料和本身的几何特性决定；x——弹簧伸长(或缩短)的长度.

4 结束语

物理是一门以实验为基础的的学科,注重培养学生的科学素养和创新能力,为此要求教师应会利用一些自制教具来辅助教学,把创新实验和物理教学有机融合．教师进行低成本的实验设计和开发走进课堂相比于数字化实验更既贴近生活,同时可以鼓励学生利用现有知识和身边的器材积极参与到实验的设计和操作中来,有意识的培养他们的探索能力和动手能力．自制的两组实验器材不仅得出弹力与形变量的关系还能通过两幅复印胶片对比让学生明白弹力大小与弹簧材料、长度、粗细等因素有关,实验探究过程支撑了学生的建构活动,鼓励学生在问题中思维,在情景中归纳,在实验中发现,在活动中交流与合作．学生从中掌握了探究物理知识的方法,培养了科学实验精神,吸收了抽象的物理知识,真正把素质教育和核心素养落到实处．