浅谈如何设计力学自主性学生实验

随着素质教育的不断深化，对学生自主性学习及创新意识的培养，已越显重要。近几年来的中考试题中关于力学的相关实验，已跳出课堂安排的学生实验，要求学生能熟练掌握基本测量仪器的使用，较深刻地理解实验原理，尤其是在自我设计完成实验的过程中，要求科学合理及可操作性。这对学生而言，综合所学知识，完成测量等任务，最终达到实验目的，同时对实验的构想、操作也要能清晰地用文字反映出来。力学实验中，涉及的范围广，使用的基本仪器多，熟悉各物理之间的关系及各测量器材的使用是完成自主性实验的关键，而加强思维、设计正确的实验方法是完成自主性实验的保证。下面谈谈几种设计自主性学生实验的方法：

一、以多测少，以少测多

所有测量仪器，都有一个测量范围和最小刻度值，当被测量对象大于仪器的测量范围时，已不可能进行一次性测量，而分次测量必定要使误差增大。当被测量的对象小于仪器的最小刻度值时，测量不出一个有效的数据而无法得出较准确的实验结果。遇到这种情况，就要采取“缩小”即以少测多，或“放大”即以多测少的方法。具体实验时，要注意：

1．所测对象必须是“同类物质”。例如：要测量一颗麦粒的质量，显然小于天平的最小刻度值而无法直接测量，这时就要测量几十粒或几百粒相同的麦粒质量，再如：用一把米尺测量两地距离，显然米尺不够长，就可采用先测量正常行走的每一步长，再统计步数，实验时就要求步伐大小相等，即保持正常步行。

2．“放大”或“缩小”后的测量对象，应满足测量器材的要求。即小于仪器测量范围而大于测量仪器的最小刻度值，也就是说要有一定的数量可改变。例如：测一枚硬币的厚度时，就可用10枚相同硬币地叠放，但要测量一张纸的厚度时，测量10相同张纸叠放的厚度就不行，根据每张纸的厚度，就应取几十张纸叠放测量才有效。要指出的是，在采用“以多测少”时，实际上是提高了测量仪器的测量精度。如：一把刻度尺最小刻度值是1mm，若采用“放大”10倍测量时，实际上是使测量精度提高到能测量0．1mm的物体长度，因此在记录最终实验结果时，要注意有效数。

二、“比较法”进行测量

当测量器材不足以直接测量时，可采用类比的方法，即用“比较法”去测量。采用此方法的关键在于要找好“参照物”，历史上有名的“曹冲称象”就是最典型的“比较法”测量。通常初中物理力学测量密度等实验中，最常用的参照物对象就是水的体积、水的密度等。例如：只提供量筒和适量的水怎样测出橡皮泥、小酒杯的密度？对于这两个问题相当一部分同学只知道如何测量小酒杯的密度，而不会测量橡皮泥的密度。其实稍加比较就可以看出两题形异质同：（1）测量的工具均为量筒；（2）所使用的液体都是水；（3）待测物体的物质密度均比水大。如果把橡皮泥做成杯状或管状或碗状，那么问题就迎刃而解了。

三、等量替代原理

当测量器材无法直接测量时，就要设法用可以直接测量的物理量来取代不能直接测量的物理量。采用此方法时，唯一要注意的是直接测量的与不能直接测量的物理量之间要有内在的联系，找到这种内在的联系，也就完成了实验的设计。内在的联系一般可从数学和物理两方面去找。例如：根据D＝2πR，可测量出圆周长从而得出圆半径，这就是利用数学关系得出周长与半径的关系，又如：利用G＝mg的关系，用弹簧秤就可以间接测量物体的质量，这就是利用物理关系得出重力与质量的关系，通过弹簧秤测量出重力而间接得出物体的质量。

可以说“等量替代”的思想是物理实验成功的最根本、最重要的思路。物理学中的相关定律、定理、公式、原理都是以替代思维成立的基础为出发点的。例如：测量固体的体积，在有量筒或量杯时，可采用“排液补差”法直接测量。但没有量筒或量杯时，对于规则物体可用刻度尺去测量它的几何尺寸，再进行体积计算，对于不规则的物体，可用弹簧秤和水，通过测量浮力大小，结合阿基米德原理F_浮＝ρ_液gV_排（全部浸没），得出V_排＝F_浮／ρ_液g等方法。因此熟悉各个物理量原理是用好“等量替代”法进行自主性实验设计的关键。

在具体设计实验的过程中，实验步骤必须具有可操作性和科学性，并能力求减少实验的误差，步骤设计也应力求简单而合理。例如：在使用“排液法”测量物体的体积时，要写明“量筒内倒入适量的水”，其中“适量”的含义就是既能将待测物体浸没而又不超过量筒的量程。再如：有些学生喜欢用“将量筒置于天平上测量质量”和“烧杯装满水，用天平测量”等等此类的语言来反映实验过程，这些都不科学，也不便于实际操作，因此不能出现在实验步骤中。上述的不科学性在于把量筒的功能误认为与容器的功能相同。

正确的步骤应是有利于实验的测量，有利于减少实验的误差。例如：测量液体的密度时使用天平和量筒、盛液体的烧杯，其步骤应先测量杯子质量还是先测量杯子和液体的质量？尽管所使用的原理都是“补差法”，但对照量筒中液体的体积，就应该先测量烧杯和液体的质量，再测量倒出适量液体后的质量，这样两者之差就是从烧杯中倒出的液体质量，而此时量筒内液体的体积也就是杯子倒出的液体的体积，有利于减少实验的误差。

四、控制变量法

在初中物理教学中还有许多概念或规律之探索和推导的实验过程中，都运用了“控制变量法”这一科学方法，用“控制变量”去分析和解决的实际问题是很多的，这就为这一科学方法的教学和应用提供了很好的机会。如在引导学生探索“导电体中电流大小同其两端电压大小和其电阻大小之间的定性关系，最终得出欧姆定律”和探索“力的作用效果同力的哪些因素有关，最终得出力的三要素”等实验过程中都用到了这一科学方法，使学生对“控制变量法”不断加深理解，并逐步达到有意识地去应用的目的。

例如，有这样一道题：质量相同的水和煤油，吸收相同的热量，谁的温度升高较大？对于这一道习题，初看起来似乎有一定的难度，因为这样简短的一句话中包含了四个相互关联的物理量，也就是说，要比较谁的温度升高较大，就要同时分析其它三个物理量（质量、热量、比热容）对它的综合影响，如果没有一种科学的分析方法，要解决这样一个实际问题，不仅费时费力，且准确率不高，但如能对学生加以恰当的引导，让他们考虑是否可用物理实验中常用的科学方法来解决这道实际问题，经过思考及同学间的相互讨论，许多同学便会想到用“控制变量法”结合公式Q＝cmΔt来解决这个问题，思路是这样的：因为这个问题要解决的是Δt（升高的温度）的大小，所以先将此公式变成Δt＝Q／cm的形式，再分析题目发现，m（质量）、Q（热量）相同，即这个问题中Δt仅取决于c（比热容），且从Δt＝Q／cm这一关系式中可以看出，Δt与c成反比，而水的比热容大于煤油的比热容，因此很容易得出这个问题的答案是：“煤油升高的温度比水大”。在初中物理（如在力学、电学、热学）中，可用“控制变量”这一科学方法去分析解决的实际问题还很多，这就为学生灵活应用这一科学方法解决问题提供了保证。