基于学科认知视角下的自由落体运动规律的实验探究

唐 洋

(上海南洋模范中学)

怎样才能有效提升物理学习的有效性，不但“学会、理解”，更能升华到“会学、思辨”呢? 物理实验可以提供一种途径.本文以探究自由落体规律为例，结合实验的认知特点、自由落体的学科知识特点，梳理相关认知方式，探讨有效激活认知的探究型实验学习模式.

1 问题的提出

传统的高中物理实验多为测量与验证型实验，实验环节常分解为目的、原理、器材、步骤、数据记录、处理、结论、误差分析.

我们可以试着深入思考这些问题:实验方案是如何形成的? 为什么本实验会选择这些器材? 为什么经过这样的实验操作步骤就可以获得我们需要的数据? 进行诸如此类具有学科认知特征的思考后，我们可以把物理实验进行更具认知意义的重构，分成:任务的定位、方案的策划、装置的构建、步骤的拟定、数据的采集与分析.这样可以将物理实验升华为认知物理问题的一种方式.纵观物理学的发展史，物理学实验发挥着不可替代的作用，加深了人类对自然世界的认知.

下面从实验角度来梳理探究自由落体运动规律所需要经历的思维过程.

自然界存在着千姿百态的落体现象，物理学把这种“物体在地面附近，受地球重力作用从静止开始沿铅垂线降落的运动”称为落体运动.在落体运动中，物体的下落有快有慢，那么，是什么因素影响了物体下落的快慢? 或者说，它们的下落遵循怎样的规律? 我们该如何进行有效认知呢?

为研究落体运动的规律，首先对运动的特征进行分析，构建自由落体的物理模型.

2 问题的研究

2.1 实验任务定位

由自由落体运动定义可知，其物理情境主要由物体、运动环境以及运动状态的改变等元素构成.其中，作为研究对象的物体具有一定体积、不同质量等物理属性.其运动环境则主要表现为物体位于地球表面且处于空气阻力可以忽略不计、无支撑的状态.而运动状态的改变主要表现为初速度为零、沿竖直方向做直线运动以及运动速度越来越快等特点，也就是说，该运动具有“初速度为零的变速直线运动”的特征.为此，本实验将要探究的实验问题是，依据已构建的自由落体运动物理模型所具有的运动特点，探究其遵循怎样的变速直线运动规律.

那么，经历怎样的认知思考过程，才能梳理出实验的认知脉络? 可以试着按照以下认知环节展开具体的思考:怎样才能形成针对实验任务的研究方案?怎样才能构建出符合实验探究要求的装置? 怎样才能形成符合实验探究要求的操作步骤? 应如何对实验数据进行分析以形成对问题的有效诠释?

2.2 实验方案策划

依据以上对自由落体运动特征的分析，可以生成以下三组研究方案.

1)基于“图像—函数”拟合的实验认知方案

实验数据承载着能洞察被研究的学科问题可能蕴涵的内在规律的信息.为此，对实验数据进行有效采集，并借助作图法来直观地表征其具有的内在关系，再利用函数拟合的处理方法，寻找合适的数学表达式来描述图线的特征，从而揭示被研究的学科问题所遵循的某种规律.

基于以上分析，可形成如下实验方案:借助一定的测量技术去获取研究对象位移随时间变化的信息，然后作出s-t图像，再运用函数拟合的数据分析方法来揭示其运动规律.对此可利用图1所示的装置进行实验，将位移传感器的发射器视为落体研究对象，利用DIS系统，描绘出其s-t图线，再利用数据处理系统中的函数拟合功能，来探究运动规律.

图1

2)基于假设或猜想的实验认知方案

在已有的认知背景基础上，进行迁移拓展，完成对未知问题的探究，是学习的重要方式.为此需要经历:依据已有的知识对研究对象的特征进行辨析，再提出认知猜想或假设，形成认知方案，开展探究.

就本实验而言，应首先利用实验者认知结构中已有的有关运动学的理论，通过对自由落体运动的运动特征进行观察与思辨，梳理出其具有“变速直线运动”的特征.据此，可形成“假设自由落体运动是匀加速直线运动”的认知猜想，这样就可以通过认知迁移，利用已知的研究匀加速直线运动的方法来检验自由落体运动是否具有匀加速直线运动的规律.

基于以上分析，生成如下两套实验方案:

a)利用位移特征探究

匀加速直线运动的位移具有“相邻”两段位移之差等于恒量的特点，即s2－s1＝aT2(如图2).而当初速度为零时，则具有奇数比，即s1∶s2∶s3∶s4∶s5＝1∶3∶5∶7∶9的数据特征.

图2

因此，先通过实验的方法获取s-t数据，然后再依据以上数据特征，通过测量并计算“相邻”两段位移之差，或其位移之比，进而推断做自由落体运动的物体是否遵循匀加速直线运动的运动规律.

b)利用速度特征探究

对此可以形成如图3所示的实验方案，以“工字形”物体为研究对象，再利用光电传感器来测量物体下落一定距离的初、末速度.

图3

3)基于逻辑推理的实验认知方案

通过对自由落体运动的运动环境分析可知，这是一种无支撑状态下的运动.所以可将这样的运动环境视为物体沿斜面运动的特例，即倾角为90°时的斜面运动.

基于这样的认知视角，可以形成另一种实验方案:使研究对象在不同倾角的斜面上运动，再利用“图像—函数”拟合的实验方法来探究其具有的运动规律，最后借助逻辑推理，即将斜面的倾角外推到90°，以此来推断自由落体运动所具有的运动性质.进而可拟定如图4所示的实验方案:将小车放置在一定倾角的斜面上，并使其沿斜面由静止开始运动，在此过程中利用位移传感器测量并描绘出s-t图像，然后利用函数拟合的方法来分析其具有的运动特征.改变斜面的倾角(2～3次)重复上述实验过程，再通过逻辑推理的认知方法来推断自由落体运动的性质.

图4

2.3 实验装置构建

1)基于“图像—函数”拟合方法的实验装置构建

需要构建出具有自由落体运动特征的实验装置，还需在其实验装置中配备能记载实验数据的测量系统.可选择DIS实验的位移传感器的发射器作为自由落体的研究对象，再通过铁架台来固定接收器.为记录实验数据，还需配置数据采集器以及基于计算机的数据处理系统.

2)基于假设或猜想实验认知方法的实验装置构建

a)利用位移特征探究

实验装置的构建应满足:能呈现自由落体运动的运动现象，且能记录该现象的s-t实验数据.由此可见，基于“图像—函数”拟合方法的实验装置符合本方法的要求.实验中需要作调整的是:应将实验数据的采集方式设定在数据采集工作状态.

b)利用速度特征探究

实验装置需要有如下特征的部件:研究对象在下落过程中能被实验系统检测并记录位移与速度.这里选用“工字形”的物体为研究对象，如图5 所示，图中的上下两条横杆可以作为初、末速度的测量对象.装置构件中的竖杆部分(长度为h)表征的是研究对象所经过的位移大小.此外，为能检测“工字形”物体在下落过程中的初、末速度，实验装置还需配置由光电传感器、数据采集器等组成的测量与数据处理系统.

图5

3)基于逻辑推理实验认知方法的实验装置构建

实验装置的主要部分包括:可调节倾斜度的斜面、小车以及能检测小车运动数据的测量系统.当我们选择用DIS实验系统来检测小车的运动数据时，其实验装置还需包括:位移传感器以及相应的数据采集与数据处理系统(如图4).

2.4 实验步骤拟定

1)基于“图像—函数”拟合方法的实验步骤策划

a)将装置调整到实验原理所依存的条件:位移传感器接收器垂直向下固定在铁架台上，把铁架台置于实验桌边缘，将作为研究对象的发射器置于接收器的正下方;

b)将装置调整到符合数据采集的要求:接收器接入数据采集器通道并开启数据采集器，打开位移传感器发射器的电源开关，打开“组合图线”窗口，点击“添加”，选取“时间—位移”;

c)依据实验参量具有的因果关系形成采集实验数据的操作步骤:确认发射器正对接收器，点击“开始”图标，释放发射器，使其自由下落，获得完整的s-t图线.

2)基于假设或猜想实验认知方法的实验步骤策划

a)利用位移特征探究运动规律的实验步骤:参照“图像—函数”拟合方法的实验步骤，直至步骤b)，打开“计算表格”，选择“自动记录”，点击“开始”图标即可进入实验数据的采集;

b)利用速度特征探究运动规律的实验步骤:按图2要求，将光电门传感器固定于铁架台，保持其水平并接入数据采集器通道，将“工字形”物体置于光电门传感器的上方，使其处于竖直状态，并确保上下横杆能顺利通过光电门并挡光.点击DIS专用软件主界面上的实验条目“瞬时速度的测定”，在工作界面的挡光片栏的前两项依次填入“工字形”物体上下横杆的宽度值(如图6).点击“开始”图标，由静止释放“工字形”物体.改变物体与光电门的距离，重复上述步骤.

图6

3)基于逻辑推理实验认知方法的实验步骤策划

a)将装置调整到实验原理所依存的条件:使斜面有一定的倾角，小车能从斜面顶端下滑;

b)将装置调整到符合数据采集的要求:在斜面的一端固定接收器，把发射器安装在小车上，打开“组合图线”窗口，点击“添加”，选取“时间—位移”;

c)依据实验参量具有的因果关系形成采集实验数据的操作步骤:点击“开始”图标，释放小车，使其沿斜面下滑，获得完整的s-t图线.改变斜面的倾角，重复实验.

2.5 实验数据分析

1)基于“图像—函数”拟合方法的实验数据分析

a)s-t图线的调整:由于物体下落的时间极短，为便于观察和分析，需要利用DIS数据处理系统提供的坐标平移与缩放的功能，对图线进行适当的拉伸(如图7);

图7

b)s-t图线有效区段的选择:点击图8图像区下方给出的箭头图标，通过两次点击s-t图线的操作，以此来实现对图线有效区段的选择，再利用处理系统提供的函数拟合功能对实验图线进行函数拟合操作;

c)最后依据多项式拟合情况，对其运动规律作出推断(图8中直线由实验测量数据绘制得到，曲线为二次函数拟合的结果).

图8

2)基于假设或猜想认知方法的实验数据分析

a)利用位移特征探究运动规律的实验数据分析:选取数个相邻的位移为研究对象，计算位移差，分析数据特征，获得实验结论，并计算出加速度值.

也可依据初速度为零的匀加速直线运动位移所具有的s1∶s2∶s3∶s4∶s5＝1∶3∶5∶7∶9数据特征，对所采集到的s-t数据进行分析，进而得到实验结论.

b)利用速度特征探究运动规律的实验数据分析:分别计算每组实验数据的，再分别计算每组实验数据的，分析得出实验结论.

3)基于逻辑推理实验认知方法的实验数据分析

参照“图像—函数”拟合的实验数据分析方法判断处于不同倾角斜面上小车的运动性质，运用逻辑推理的认知方法，推理出实验结论.

2.6 实验认知反思

重新回顾实验探究历程，梳理并指出:任务的定位、方案的策划、装置的构建、步骤的拟定、数据的采集与分析，各自要经历哪些认知环节? 还能构建怎样的实验装置来完成探究?

3 结束语

目前，学生的学习较多聚焦于如何学会知识，而教师的教学行为常常是直接告知结论，然后操练习题.其实在习得知识的过程中，有很多可以培养认知能力的环节，比如利用物理实验来探究物理知识.在学习过程中，学生通过实验来完成对问题的探究，获得作为结论的知识.这样通过学习有限的知识，习得一种认知与解决问题的一般方法，就会拥有解决无限问题的能力，这或许是更值得追求的学习层次.

实验的学习可以让我们亲身经历科学探究与思维的过程，有助于促进物理观念的完善，培养严谨的科学态度.更重要的是，在自主探究问题的过程中所习得的能力、培养的品格，会让人受益终生.

(完)