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1、尝试二力平衡实验的改进 内容摘要：“二力平衡的条件”的探究是初中物理实验中用来作为改进实验方案教学的典型个例，在教学过程中应该让学生经历对实验原理、器材、步骤、结果等进行评价和分析，在探究过程中发现问题，尝试改变实验设计方案。关键词：二力平衡 匀速 评价 改进沪奥版初中物理教材中，对探究“二力平衡的条件”的实验做出了改进，研究的对象把木块换成了小纸片，更有利于学生通过探究活动，寻找到二力平衡的规律。为了了解学生对这两种实验方案的认识，笔者设计了以下试题，统计结果显示该题的正确率不足10%。如图1所示，在“探究二力平衡条件”的活动中，用图a中的小纸片悬挂在支架上代替图b中的小车放在水平桌面上做实
2、验，解释最合理的是（ ） A.可以减小摩擦力的影响 B.可以任意改变小纸片的形状 C.小纸片的重力可以忽略不计D.小纸片是比较容易获取的器材 本题的正确答案是A，90%左右的学生都选择了C。在试卷分析时，多半的老师都有所感悟，我们的实验教学都是“依本施教”，没有引导学生对探究的过程和结果进行分析和评价，并尝试让学生去改进实验设计方案。这道试题名为考查学生的能力，实则是对物理实验教学弊端的拷问。 大多数版本的教材在探究“二力平衡的条件”时，采用的是如图2甲所示的方案，把木块放在水平桌面上，在两边悬挂重物通过安装在桌面两端的滑轮拉木块，进行实验探究。在实际探究时发现，两边所挂砝码质量相同时，木块保
3、持静止；当木块向右匀速运动时，右边钩码的质量大于左边钩码的质量。分析原因，木块向右匀速运动时，受到桌面对它向左的摩擦力，木块在水平方向上受到拉力F1、F2和摩擦力f三个力的作用（如图2乙所示），这三个力是平衡的，满足关系：F1+f=F2，所以F2F1。许多老师设计了多种减小摩擦力影响的实验方案，其中最具代表性的如图3所示。用一辆装有轮子的小车代替图2中的木块做实验，把原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，使摩擦力的影响大大的减小了。在实际探究过程中，发现小车匀速运动时，两边的拉力F1和F2仍然有一定的偏差，说明这种改进方案对于减小摩擦力的影响的效果是有限的。另外，探究“不在同一直线上的两个力是否平衡”时
4、，需要把木块（或小车）旋转一个角度后松手，观察木块（或小车）能否保持平衡状态。这个操作是在桌面上完成的（如图4所示），前排的学生可以清楚地观察到现象，靠后的学生根本就看不见。这套装置还有一个缺陷就是，不能用来验证一对平衡力必须作用在同一物体上。滑轮滑轮细线细线图5图4针对上述实验方案的种种缺陷，新版苏科初中物理教材大胆创新，对探究“二力平衡的条件”的实验做出了重要改进（如图5所示），用小纸片悬挂在支架代替木块（或小车）放在水平桌面上做实验。实验中拉力的大小等于所挂钩码的重力，给实验带来了方便。为了保持与上述实验方案的一致性，图5装置的关键是支架的设计和制作。方案一：可以用两个铁架台分别夹有一个
5、定滑轮，且两定滑轮共面等高搭配成支架，在器材充足、场地较大的情况下可选用这一方案。方案二：可按图5所示自行制作专用支架，下方木块的规格约为12cm9cm2cm，在木块中间相距约6cm出分别钻两个孔，孔的大小以竹筷刚好能插入为宜，两根支柱可用一段方形、一端圆形的竹筷代替，在两根竹筷等高处分别钻一小孔，以大头针刚好能插入为宜，将空圆珠笔芯剪下一小段套在大头针上，再将大头针插入竹筷上的小孔之中，就将支架做好了。在新版苏科物理教材有关“二力平衡的条件”的探究活动内容中，用“信息快递”的形式指出：由于小纸片的重力远小于钩码对卡片的拉力，所以小纸片的重力可以忽略不计。这一设计符合物理学中忽略次要因素、突出
6、主要因素、建立理想模型的思想。所以，在上述试题作答时，90%的学生选答案C是合情合理的。然而，这道试题的高错误率必须引起教者的思考。 一、要让学生了解实验方案设计的意图要成功的进行科学探究活动，关键是要设计出合理的实验方案。在进行实验教学时，教师有必要让学生了解实验的理论依据（实验原理）、实验器材的选则及作用、实验操作的步骤以及数据收集和处理的方法等。学生了解这些实验方案设计的意图，在实验过程中才会有的放矢，从而进行真实验、真探究。在探究“二力平衡的条件”的活动中，考虑到力的三要素都是影响力的作用效果的因素，探究“二力平衡的条件”也需要从力的大小、方向和作用点等方面着手，设计实验方案时要运动控
7、制变量的方法。为了准确方便的测出拉力的大小，采用的两边挂砝码的方法，砝码的重力就等于拉力的大小。安装两个定滑轮则是为了改变拉力的方向。把研究对象放在水平面上，并且拉力的方向沿水平方向，是为了避免自身重力对实验结果的影响。怎样证明二力平衡时必须作用在同一直线上，可以逆向思考，把研究对象旋转一个角度，使作用在同一物体的两个力不在同一直线上，松手后观察研究对象能否保持平衡。学生了解了为什么这样做，才知道如何去做。教师如果让学生了解了有关“二力平衡的条件”的实验方案的设计意图，就能够使学生更好完成实验探究，并且可以帮助学生理解“二力平衡的条件”。 二、要让学生学会对探究活动进行评价和改进根据已经掌握的
8、知识或已有的经验，对探究过程和探究结果进行评价，注意假设与探究结果间的差异，注意探究活动中未解决的矛盾，发现新的问题，尝试改进探究方案。通过对实验的评价吸取成功的经验和失败的教训，从而对以后的科学探究活动产生积极的影响。在探究“二力平衡的条件”的活动中，根据物体处于平衡状态时，作用在物体上的两个力的作用效果应该相互抵消，可以作出猜想：二力平衡的条件之一是力的大小相等。然而利用木块做实验进行探究的结果却是两个力大小不等。假设与探究的结果之间出现了差异，就需要引导学生进行评估，究竟是假设出现了错误，还是探究的过程存在不足导致错误的结果。通过进一步的交流，可以发现是由于桌面对木块的摩擦力影响了探究的
9、结果，属于实验设计方案不完善，需要对改进探究方案。显然，实验成败的关键是怎样减小摩擦力的影响，最先想到的方案是用装有轮子的小车代替木块、把桌面换成阻力更小的玻璃表面、在气垫导轨上进行实验等等。为了增强实验的可见性，才会设法把研究对象抬高，把它悬挂在支架上。考虑到研究对象自身重力的影响，选用重力很小、可以忽略不计的小纸片来进行探究。在探究过程中又产生了新的发现，可以用剪刀把纸片从中间剪成两半，从而验证两个力只有作用在同一物体上才能平衡。通过对各种实验设计方案的的评价和分析可知，以小纸片作为研究对象，是因为小纸片的重力可以忽略不计；以小车作为研究对象，小车受到的重力和支持力是一对平衡力，木块自身的重力对探究结果也没有影响。对比这两种实验方案发现，用小纸片悬挂在支架上代替小车放在水平桌面上做实验，使接触面脱离接触，其实也是为了减小摩擦力的影响。所以上述试题的正确答案应该为A。3
