中学物理疑难实验研究

中学物理疑难实验研究 一、中学物理疑难实验研究概述 随着教学改革的深化，物理实验在物理教育特别是中学物理教育中的作用和地位显得更加突出。然 而要真正运用好物理实验，使之对提高教学质量发挥出独特的作用，却不是一个简单的问题。因为它需 要的既要有物理学理论和实验知识，又要有教育学、心理学和教学法的知识，还必须脚踏实地亲手实践， 因此能否在教学中有效地、恰到好处地运用物理实验，实际上可以综合地反映一个中学物理教师的教学 能力和知识水平。 无论是作为未来的还是在职的中学物理教师，为什么要进行中学物理疑难实验的专题学习和研究呢？ 中学物理中有哪些疑难实验需要研究？如何才能通过学习真正提高自己解决疑难实验问题的能力呢？下 面分三个方面来阐述这些问题。 （一） 、使人大伤脑筋的中学物理疑难实验 在中学学习时，学生们对物理课堂上老师如何能将一个个实验表演成功的奥秘是缺乏了解的，也多 半不太清楚老师的那“台上几分钟” ，用到的却是“台下几天功” 。当他（她）们有时看到实验的效果不 好或甚至做不成功时，他（她）们也不一定有兴趣弄清楚其中的原因，到了大学学习阶段，同学们虽然 做了不少实验，但一方面由于实验内容直接针对中学物理实验的相对较少，另一方面不少同学在做实验 时有图任务、为交实验报告而做实验的倾向，真正转换到作为一个中学物理教师的角色、对实验进行仔 细钻研的同学尚不多见，这样到中学实习时，一些同学碰到令有经验的教师都感到困难的实验内容时， 并没有意识到会有什么麻烦，没有用足够的时间进行实验准备，以为照着 中学课本上所述的方法去做就行了，结果是不断碰钉子。例如，高中物理 课本中机械波概念的引入，教材上用的是一个如图 1 所示的绳波演示实验， 按课本所述，用手拿着一根绳子的一端（另一端固定）上下摆动，就会看 到一列凹凸相间的波向绳子的另一端传去。但拉着绳子的一端上下摆动了 老半天，却只见整条绳子在摆动，而不见明显的波，实际上，这个实验要 想演示出课本所说的现象，在绳子的选择上很有讲究，绳子如何悬挂以及 手拿绳子如何摆动也都是个问题，并不是随便拿根绳子、随便摇两下就可 以摇出波来的。而这些细节，作为以中学生为读者对象的中学物理课本一 般是不会特别地加以说明的。类似的如光电效应的演示实验也是如此，照 课本介绍，把一块擦得很亮的锌板连接在如图 2 所示的验电器上，用弧光 灯照射锌板，验电器指针就张开一个角度。但实际上，用弧光灯或紫外线 灯照射了老半天，却不见验电器指针有要张开的迹象，还有一些实验，如牛顿第二定律的验证、用打点 计时器验证机械能守恒定律等，虽然均能完成，但实验误差太大，结果令人失望，这样的实验挫折经历 多次后，教师往往会对实验产生畏惧心理，久而久之虽然教学经验不断丰富，有些还成为了教学骨干， 但不少实验在他们的手中，疑难程度却没有相应地降低。 （二） 、疑难实验形成的原因分析 中学物理中竟然还有这么多的疑难实验？这是大多数教师特别是新教师始料不及的。人们不禁要问， 中学物理范围内主要涉及的大都是物理学中比较成熟的知识内容，怎么还会有疑难实验呢？这个问题不 解决，就会造成前面所说的由忽视或轻视到畏惧的结果。首先，作为科学实验，这些课题都早已在实验 室获得了解决，但如今作为教学内容编进中学物理教科书中的，就属于教学的物理实验。作为教学的物 理实验，和科学研究中的物理实验或在其他应用领域的物理实验有一个最重要的区别，那就是教学物理 实验的设计不仅要体现物理思想、符合科学性原则，而且必须反映教学思想、符合教学原则。例如，简 谐运动图像的描绘实验，从技术上来说，有很多的方法可以描绘出正弦或余弦曲线。但若设计成如绘图 图 1 图 2 2 仪那样的图像描绘仪，虽然具有自动化程度和可靠性高、操作简便等诸多优点，但若考察教学目的，这 个实验必要的一点就是要在所获得的图像与振动体的运动之间建立起尽可能直接的、必然的联系，以便 学生理解图像所反映的物理意义，从这一点来看，如果图像的描绘是通过一个自动化的装置来实现的而 其机理又被有意无意地置于隐藏地位的话，它就丧失了作为一个教学的物理实验存在所必须有的教学价 值。为此，就要设计出一个既简单直观又要可靠好用的装置，这在技术上提出了更高的要求。同样的道 理，前述的光电效应演示实验，采用裸露的锌板并用验电器检验锌板上的带电，从教学思想上来考虑是 很值得的，但在技术上又大大地增加了实验的难度。此外，如电磁（阻尼）振荡、光学中的一些实验等 也都有同样的问题。这样带来的实验疑难在中学物理疑难实验中占有相当大的比例。 其次，实验的难度是相对于教师的知识、能力和经验而言的。有很多实验不是疑难问题，但是到了 有些教师手里，却成了难题。还有一些实验，如静电演示实验，许多前辈学者的不懈努力，实验本身已 不像很多人想象的那么难，但是要很好地驾驭它，实验者必须有比较扎实的基本功。必须在掌握有关知 识的同时，花时间去认真琢磨、体会实验的奥妙，将资料上的分析介绍、别人的经验内化为自己的真正 理解和切身体会，并坚持在实践中不断摸索和积累，才能练就出做好静电实验的真功夫，然而，许多教 师在碰了几次钉子、特别是在看到许多有经验的教师对静电实验也感到头痛之后，没有信心和恒心深入 钻研下去。结果，静电实验在很多教师的手里成了头号疑难实验，只有在天气干燥的气候条件下才敢在 课堂上演示。 此外，中学物理实验仪器本身的缺陷也是导致疑难实验问题的一个重要原因。由于体制的问题，现 有的中学物理实验室仪器设备还较普遍地存在许多不如人意的地方。主要表现：一是在仪器的生产和配 备上对新技术、新成果的反映太迟钝，这样使得一些已经很好地解决了的疑难问题由于没有新的仪器可 用而依然疑难如故；二是不少仪器由于粗制滥造导致可靠性很差，使一些根本不难做的实验由于没有合 格的仪器可用而成为疑难实验。 （三） 、疑难实验的研究方法及要注意的问题 从事任何学习与研究，只有抓住问题一个一个地、扎扎实实地钻研下去，才可能掌握到真正属于自 己的知识、练就出独立解决问题的能力，这里不存在投机取巧的捷径可走，疑难实验的学习与研究也不 例外。但在扎实努力的前提下，如何才能举一反三、活学活用，则是我们大家所希望的，为此，要求我 们在学习和研究的过程中，不仅要针对教学的需要，一个一个地解决问题，积累知识和经验，而且要善 于透过具体的疑难实验的研究，发现共同的、规律性的东西。具体来说，研究疑难实验，了解和掌握尽 可能多的有关前人研究的资料信息是很有必要的，但一定要特别注重从众多的表面差别甚大的实验装置 中发掘和把握其中蕴含的实验方法。因为实验方法是物理实验的灵魂，深入不到实验方法的层次就驾驭 不了疑难实验。疑难实验之所以成为疑难，说到底，就是尚未找到满意的实验方法，许多漂亮的实验方 法不仅提供给我们化解疑难实验所需的知识和技术窍门，而且更重要的是可以给予我们智慧的启迪和激 励，使对它敏感、勤于思考的人获得创造性地解决问题的能力，我们知道，直流电动机中，有一个被称 为直流电机构造特征的重要部件换向器，它的作用就是对应于转子线圈的转动周期性地改变输入电 流的方向，使线圈得以持续地转动。如果要你设计一个简化的、不用换向器的电动机，你会怎么办？根 据磁场对通电线圈作用的特点，不用换向器的话，要么周期性地改变磁场，要么就采用可根据线圈转动 周期性地变化的电源，使得磁场力始终起促进线圈转动的 作用。这样，很可能设计出一个更复杂而不是简化的电动 机，如图 3 所示的是一个将线圈引出线当转子转轴使用、 既省去了轴也省去了换向器的直流电动机，它采取断续供 电的办法，即只在线圈转动的半个周期内才输入电流，另 半个周期内线圈由于未通电而不受磁场力的作用，借助惯 性，线圈的运动并不会停止。从实验方法来看，这样省去 换向器是不是简单巧妙？但是又如何来实现对线圈的断续 供电呢？这看来又是一个不那么简单的问题。而在图 3 所 示的装置中，用的方法是将线圈引出线一端的绝缘漆全部刮去，而另一端则只刮去一半，使得线圈在每 图 3 3 转动一圈的过程中，只有半圈的时间由于引出线两端都是刮去绝缘漆的导体面与导体支座接触而有电流 输入。实验方法简单得出奇，却漂亮得令人叫绝！这样的方法突出了实验原理，使学生只需透过较少而 且他们比较熟悉的技术细节就可以领悟实验过程及其中的原理，像这样简单直观、痛快淋漓、毫不拖泥 带水的实验方法，用在物理教学上，给学生和老师本身就是一种智慧的熏陶和享受。类似的例子还有不 少，我们若能留心分析积累，培养出洞察的眼力，你自己有朝一日也会创制出几个出色的实验来，给你 的同行和学生送上智慧的美食。 此外，还有几个问题在疑难实验的学习和研究中也是需要加以注意的。 首先，必须高度重视对疑难实验的学习和研究。由于众所周知的原因，目前在不少中学，仍存在着 不重视实验的教师仍能受到重视、实验技能低下的教师也能成为教学骨干甚至“教学能手”的不正常现 象，这就误导了优秀教师的标准。因为对中学物理教师而言，不像大学教师那样有专业方向的分工，虽 然，不同的教师都因个人的特长而会形成自己独特的教学风格。但具有较强的实验教学技能和一定的实 验研究能力是对每一个中学物理教师的基本要求，更不用说对优秀教师了。只会凭空口讲实验、用粉笔 在黑板上“做”实验的教师就不是一个真正合格的中学物理教师，因为这样的教师在基本的教学技能上 尚未达标。 物理理论的指导，首先表现在应用物理学的原理去发现、甄别实验中的科学性问题。例如，如图 4 所示的是一个说明“液体压强随深度增大”的实验，图中从圆筒上高度不同的三个小孔流出的水射在水 平放置的接水盆中，小孔离地越低、射程越远，据此说明液体压强随深度增大。但实际上并非总是如此， 我们只要在图 4 所示的装置中，将接水盆的位置上移，就会得到不同的结果。若在如图 5 的虚线所示的 位置接水，从图中不难看出，从离地最低的一个小孔流出的水反而射程最小，实际的实验结果也完全有 可能如此。这样的实验怎么能说明问题？又如，如图 6 所示的是一个旨在说明气体的导电性的实验。两 个验电器一个带正电，另一个带负电，并使它们的导电杆上的导电球相互靠近，当将酒精灯火焰移于两 个导电球之间时，就会见到原来稳定张开的两验电器指针都迅速闭合为零。从实验现象的原因来说，确 实是由于火焰使气体电离从而导致气体变为导体所致，但是，让两个验电器一个带正电、另一个带负电 的做法，明显地传递着正电通过导电的气体与负电中和的信息。但实际上即使让两个验电器都带正电或 都带负电，结果也是一样的。这样，一个验电器上的正电通过导电的气体与另一个验电器上的负电中和 的意思就值得怀疑了。 如图所示，容器内水的高为 ，水自离自由表面 h 深的小孔流出。求在多深的地方开孔（也就是 h 取多0h 少时），可使水流具有最大的水平射程。最大的水平射程等于多少？ 解： 根据伯努利方程 图 4 图 5 图 6 4 2001vpgh 得 v 又由 20 1gth 有 t)(0 所以 hvtx)(20 由上式可知 时，x 最大为 /0h 0ma 物理理论的指导，也表现在要从物理理论思维和实验方法之间关系的高度、正确地理解和把握实验 在教学上应用的目标和方向，如磁感线、电场线等本身只是一种理论模型，用实验表现这些模型的目的 是帮助学生理解、构造模型。但若处理不当，致使学生误认为真正存在这样的场线，就违背了实验的初 衷，得不偿失，实验的目的决不是为了代替理论思维，好的教学物理实验应该是学生把握现象、理解物 理本质所需的桥梁。 物理理论的指导，还表现在对实验设计与改进的正确思路、对探究实验疑难形成关键的导向作用。 晶体的熔化与凝固实验、电磁振荡实验、自感实验和光电效应演示实验等就是很典型的例子，如果不从 物理原理出发、不深入分析研究实验现象背后的物理规律，只凭经验盲目尝试，要真正解决这些疑难实 验问题是不可能的。 总之，切不可因为是中学物理范围内的实验内容而降低理论思维的起点。 谈到理论指导，还不能忘了教育理论的指导。作为教学的物理实验，除了要有物理理论的根据、反 映物理思想外，还要符合教学原则、反映教学思想。这个问题比较复杂，不容易三言两语说明白。但是， 有一点是可以非常明确地提出的，那就是通过实验的教学应用，应该有效地促进学生的有意义学习过程， 避免机械学习过程。这应该成为贯穿整个教学物理实验设计与改进过程始终的教学思想，所谓的“有意 义学习过程” ，是与“机械学习过程”相对立的，它的实质“就是符号所代表的新知识与学习者认知结构 中已有的适当知识建立非人为的（非任意的）和实质性的（非字面的）联系。这就要求我们在教学中， 要特别注意将新知识的传授与学生已有的概念和理解联系起来，在学生原有认知结构的基础上设计和组 织我们的教学。否则学生头脑中充斥的多是些人为建立的联系，也就是靠模仿和记忆得来的东西。物理 教与学都被降格成在头脑中发生的“机械运动” ，就只能是徒有智力活动的虚名了。本来，物理实验在教 学中的地位受到肯定的重要原因之一，就是它具有培养学生能力的教育功能，但从功能到变为现实之间 还需要有精心的实验设计和有效的教学过程。否则，机械学习在实验学习的情境下照样可以大行其道。 例如，滑线变阻器是一个中学物理实验中最常用的仪器之一，学生自己使用和看老师使用的次数应该不 算少。但即使是在大学生中，不能正确地自己独立使用它的人仍不少。因为他们在以往的学习中，只是 照方抓药、依葫芦画瓢地对着那些实验讲义或练习册连线，根本就没有弄懂这样一个并不复杂的仪器的 结构、原理和各个部件的功用。这样的机械学习怎么能产生培养能力的效果！又如，在简谐运动图像的 演示实验中，我们知道，实验要求保证记录底板匀速直线运动，这在技术上不难实现，但从学生理解的 角度考虑，应该先确定记录底板的运动是否匀速，否则，就会出现根据所得出的图线是否为正弦或余弦 曲线来判断记录底板的运动是否匀速的逻辑混乱。 5 最后，也是最重要的，就是要以科学的态度对待疑难实验的学习与研究。科学态度首先是实事求是 的态度，那种当学生时抄实验数据作弊、作老师时由于自己的无知使实验失败却欺骗学生是仪器不好的 倾向，是阻碍自己提高的最大障碍。此外，在实事求是的前提下，科学态度还应表现为批判性的态度。 疑难实验的研究是在不断发展的，没有一成不变的释疑方法，需要不断创新。即使一些很出色的解决方 法，可能它们保持先进地位的时间要长一些，但也要用批判的眼光去消化、吸收它，囫囵吞枣式的学习 是难以获得真知的。要成为一个有创造性的优秀教师，真正重要的是要培养自己敏于发现并抓住问题、 勤于分析研究问题和善于解决问题的能力。 二、运动和力的实验研究 运动和力是中学物理教学中存在己久的一个难点，其形成的原因是多方面的，但一个重要的原因， 就是我们在物理课上讲述的许多概念和规律，往往与学生在长期的生活中通过对自然现象的自发观察和 其他途径形成的、已为他们自己所理解的观念和看法相矛盾。因此，在物理教学中做好有关的实验十分 重要，特别是要通过实验设置引起认知冲突的情境，使学生自我意识到个人理解的局限和问题所在以及 物理理论的优越。然而，这一部分的实验看似容易实则疑难问题甚多，像时空的记录、力的测量等都是 经典的但人们从未停止探索的问题，在中学物理的实验条件和教学要求的前提下，如何做好运动和力的 实验是一个很值得研究的课题。从实验上来说，研究运动和力关键要解决的是运动的描述即运动规律、 力的测量以及力与运动关系的问题，下面我们分别来讨论。 （一） 、运动规律的实验研究 1、运动规律实验研究的基本问题和主要困难 要精确地描述运动、把握运动的规律，就要对运动体在空间的位置进行定量的测量和记录，而且要 求测量记录与位置相对应的时间信息。例如研究一个运动员百米跑的问题，若我们想知道他的百米跑整 体（平均）速度，需解决的空间测量问题是起跑线和终点线的确定，时间测量问题则是要确定运动员在 发令起跑与过终点冲线时分别对应的时刻。常见的具体测量方法是我们大家都很熟悉的。若我们不满足 于了解一个运动员百米跑的整体快慢，而是想更细致地研究他在各个阶段的运动快慢，那就要在起点和 终点之间增设若干个测时点并测出这些点的空间位置，记录运动员在起跑和经过这些位置的时刻根据 这些信息来研究他在更短时间内的运动。像这种联系着时间和空间的测量就是运动规律实验研究的基本 问题。我们不妨把它称为时空记录。 历史上第一个科学地、条理清晰地表述了运动的是枷利略，他认识到，在自然界能够观察得到的所 有运动中，自由落体是弄清楚这些运动的关键。从实验的角度来讲，研究自由落体运动要解决的也是时 空的记录问题。与前面提到的研究运动员在百米跑过程中速度变化的问题原则上是一样的。但是，在当 时的条件下，直接对自由落体进行时空记录是不可能的，因为下落过程中落体速率增加得太快，因此伽 利略采用斜面来“冲淡引力” 。今天，技术手段的进步使我们也可以直接对高速运动的物体进行时空记录， 闪光照相就是一个例子，但是对中学物理实验来说，这类的实验装置及其实验过程显得过于复杂了一些。 有了这样的要求后，棘手的问题就产生了。因为在物体运动较快时，要详细研究运动过程而不仅仅是起 始和终了两个状态，对时空记录的要求就提高了，它不仅要求有一定的精确度，而且不能干扰研究对象 的运动。仅靠简单的实验器材要达到这样的要求显然不是一件容易的事情。 2、运动规律实验研究的基本方法 如前所述，运动规律实验研究要解决的主要是时空记录的问题，根据实验方法的不同，时空记录可 分为按时定位、按位定时和时位同定三类。下面分别介绍这三类时空记录方法的特点和一些相应的实验 设计。 （1） 按时定位 按时定位就是根据事先设定的时间信息来记录运动物体空间位置的实验方法。使用 节拍器研究物体的运动就是最典型的按时定位方法，这种方法非常简单，但比较粗糙， 只能用于比较缓慢的运动的研究。特别是对于匀速直线运动的研究，不失为一种简便可 图 7 6 行的实验方法。 （2） 按位定时 按位定时就是在运动物体必经的路径上事先确定出计时点并测得它们的空间位置，根据物体经过这 些点的时刻来研究其运动的实验方法，前面所举的研究运动员百米跑的例子就是用按位定时的实验方法。 我们大家熟悉的用光电门计时研究运动的方法采用的也就是按位定时方法。 （3） 时位同定 时位同定就是在记录时间的同时记录运动体空间位置的实验方法。闪光照相、打点计时就是典型的 时位同定方法，由闪光照相得到的照片上的运动体影像或打点计时器在记录纸上记下的点，不仅反映了 物体所处的位置，而且包含有与这些位置相对应的时间信息，因为这些影像或记录点都是每隔一定的相 等的时间间隔得到的。然而，要拍出一张闪光照相来，实验设备和实验过程都较复杂。因而未能在中学 物理实验中被普遍采用。目前，中学实验室普遍使用的是电磁打点计时器，但这种计时器的打点针在击 打记录纸带的时候对与纸带相连的运动体有较大的影响，造成的实验误差过大。于是有人采用水彩笔代 替原来的金属打点针，用硬度相对较低、头部较钝的笔头直接在记录纸带上打点。这样可以在一定程度 上减少打点给运动带来的影响但是这种方法并没有从根本上改变打点器与记录纸之间的“硬”接触， 将这种“硬”接触改为“软”接触，很自然就成为了很多改进实验装置的设计思路。 谈到用“软”接触的办法记录时空信息，我们不妨先回到古老的滴水计时器。如图 7 所示，用一漏 斗型容器装上水，当漏斗出水口直径足够小时，漏出的水就不再是成线状的而是一点一滴地往下滴。水 滴从漏斗口滴出的快慢由口的大小决定且时间间隔基本不变，若出水口较大可在其上套一段乳胶管再夹 上一个可调松紧的止水夹，就成为一个滴水周期可调的滴水计时器。将这样的计时器安装在小车上，当 小车静止时，每隔相等的时间间隔滴出的（墨）水滴就落在底板的同一位置上，而当小车运动时，滴出 的水滴就会落在底板上的不同位置，反映出对应时刻小车的空间位置。这显然是一种“软”接触的记录 办法，用这种方法，水滴出的时间间隔不可能做到很短，因而在运动体速度较快时，在有限的运动距离 内得到的计时点不够多。而且，计时的精确度也不够高。于是，针对传统的滴水计时器的这些问题，出 现了许多喷（墨）水式计时器。 如图 8 所示的是一种典型的喷（墨）水式的计时方法示意图，由注射器射出的墨水经匀速转动的转 盘上的小孔射到运动的记录纸上，转盘每转一圈，就有 墨水经小孔射出，在记录纸上留下一个墨点。因此墨水 射出的时间间隔就是转盘转动的周期，只要能使转盘转 速保持不变，这个时间间隔就可以很简单地测出。湖南 桑植一中符兴肃进一步考虑，去掉转盘，改为用电磁打 点计时器驱动注射器针头振动，使振动的针头在运动的 记录纸上留下一条振动曲线，如图 9 所示，由于振动周 期已知，只要分析处理这条曲线就可得到与记录纸相连 的运动体的运动规律。 进一步地想，如果用一个周期性的力驱动图 8 所示的注射器活塞，使其每隔一定时间喷射一个墨点， 就可将转盘完全省去。湖南郴州一中段力江设计的“电磁喷液计时器”就是这样的一个将喷墨与周期性 振动融为一体实现间断喷墨的装置。如图 10 所示，喷墨盒类似一个活塞式水泵，它的上面是可以上下振 动的振动膜，起活塞的作用，底面接喷头和墨水盒的两孔处各安放一个很小的玻璃 珠，分别起喷墨阀和吸墨阀的作用。当振动膜被上提时，喷墨阀关闭，吸墨阀开启， 从墨水盒中往上吸进墨水；当振动膜被下压时，吸墨阀关闭，喷墨阀开启，即可从 喷墨盒中经喷头向外喷出墨水。而驱动振动膜上下振动的，则是通以电磁脉冲的线 圈对与振动膜相连的衔铁所施加的电磁力。这样从喷头喷出的将是与振动膜的振动 完全同步的墨点，由于电磁脉冲系由 50Hz 的交流市电经半波整流而得，墨点喷出的 时间间隔就是 0.02s。 类似思路的喷墨计时器还有多种。从实验方法的角度分析，以上介绍的几种喷 墨计时方法都比较巧妙，很有价值；从实验效果来看，由于采用喷墨实现“软”接 图 8 图 9 图 10 7 触，大大地减小了计时过程对运动过程本身的干扰。可较显著地减小实验误差。然而，这类喷墨计时装 置在操作上还存在不够简便、可靠性不够高的问题。怎样在保持“软”接触的优点的同时，提高可靠性 和简化操作呢？利用电火花打点的方法可以较好地解决这个问题；所谓电火花打点就是用一个可输出高 压弱电流脉冲（与输入的交流市电同步）的静电高压发生器，使运动体和记录纸之间产生周期性的且与 输入交流市电同频率的火花放电，从而在记录纸上留下类似电磁打点计时器一样效果的记录点。目前， 按这种思路设计的仪器产品火花计时器已有供应，且在 1997 年公布试用的高中物理新大纲中，被推 荐作为替代电磁打点计时器的仪器使用，从实验效果上看，使用火花计时器基本上可解决前述的问题， 但有老师认为这种计时器从原理上来讲不如电磁打点计时器简明，学生不理解为什么它打点的时间间隔 是均匀的且就是交流电的周期。这在一定程度上讲确是事实，且从教学思想、从有利于学生理解出发考 虑无疑是正确的，但是作为一个用途较广的计时仪器，在教学中应用的主要目的是用它作为一个研究运 动规律的时空记录工具，而不是它的原理本身，而且学生对它的认可应该是可以随着使用次数和实验成 功经验的增加而增强的。因此在电磁打点计时器的效果很难从根本上得到改进、其他方法又尚未成熟或 条件不具备的情况下，选用火花计时器替代电磁打点计时器用于运动规律的研究，应该不失为一种较好 的解决办法。 然而，从长远来看，应用传感器对运动进行计时探测并通过 AD 转换接口输入计算机、由计算机 通过相应的软件对探测到的信息进行实时处理的实验方法值得关注。目前，国内外已有一些比较成熟的 实验系统开发出来，有些对中学物理实验也是适用的，由于数据的采集、处理和图像描述都可实时进行， 这样的系统用于学生实验室实验，不仅可使学生从读记数据和图线绘制等繁琐费时的简单劳动中解脱出 来，而且可以使学生得到实时的反馈信息，有利于他们真正理解测量数据所表达的意义，他们也有时间 和可能对实验条件进行更多的改变并及时得到相应的结果，这样就能进行许多更深入的分析和讨论，从 而提高实验室学习过程的质量。 在促进学生的参与和理解方面，美国塔夫茨大学的罗纳德桑顿教授设计的一个采用声纳式传感器 的系统很值得一提，他的传感器叫做“运动检测器” ，实质上相当于一个小小的声纳系统。它既能发出短 促的超声波脉冲（50KHz ） ，又可以接收被运动体反射回来的超声波，发出的和接收到的脉冲通过 AD 转换接口输入计算机，预装有处理软件的计算机可根据两脉冲的时间差计算出运动体的距离，加上计算 机内部时钟的作用，就可以连续地对运动体的时空实施跟踪定位，而根据这种关于运动体各个时刻位置 的信息，就可以很容易地让计算机迅速地计算出运动体的速度和加速度，绘出位移、速度和加速度随时 间变化的图线也只不过是弹指之间的事。用这样的系统，可以设计出很多能强化学生的参与和体验的实 验活动。如让学生事先设计出一种运动模式并画出它的位移、时间图线，然后学生自己在运动检测器前 走动或设置其他物体的运动，使运动的变化规律尽量满足原先设计的模式。这样学生就非得动脑筋思考 有关的根据和道理不可。由于实际运动的位移一时间图线可以实时地与原设计的图线同时显示在计算机 屏幕上（也可以打印或存盘供详细分析研究） ，学生就可以很方便地进行比较并构思改进的方向，这样就 使学生的实验室学习活动生动活泼而又真正学有所得。 此外，用摄像机代替前面所述的超声波传感器与计算 机相连，就成了另一种形式的运动检测器。如图 11 所示， 在设计思想上有独到的考虑。首先，由于使用摄像机实时 采集运动信息、调节轨道倾角的办法改变滑块的运动状态， 这样的系统省去了一般运动规律研究装置需要的一大堆用 于计时和施力的设备，突出了研究对象本身，同时，虽然 使用了摄像机和计算机这样的先进设备，但他们认为不仅 没有使问题复杂化，反而更接近自然，因为摄像机就好比 人的眼睛，计算机相当于人的大脑，整个系统是从人的观 察、思考角度出发的人性化设计，更有利于学生从总体上 的理解。此外，用这样的系统研究运动，其应用的广泛性 和灵活性是显而易见的，用它还可以研究二维的运动、多 个物体的运动甚至模拟的分子运动等复杂的对象。至于技术方面，要解决的也是转换接口和处理软件的 图 11 8 问题，而如今，随着计算机与视像技术结合手段的不断提高，整个问题变得越来越简便。特别是利用近 年来问世的数字式摄像机，配上合适的软件，就构成一套交互式的视像系统，用它来研究物体的运动规 律，不仅非常方便，而且可以进行许多用其他手段无法做到的工作，例如，由于实现了图像的数字化， 计算机不仅可以在屏幕上实时地显示被摄像机捕捉到的运动体的画面和运动数据处理的画面，而且可以 随心所欲地进行图像的编辑、搜索、播放等操作，使得对运动的研究内容和深度都大大地得到丰富和提 高，在当前即使在中学物理教学中，引入这样的应用计算机的实验，也应该已不是可望而不可及的事情 了。近年来，中学计算机硬件的发展很快，不少地方现有的设备条件，就计算机来说，已经达到可以将 前述的实验引入学生实验的程度，只需在接口和软件上进行适当的配备就可，鉴于当前中学较普遍地存 在计算机大材小用的情况，这样的工作很有意义，物理教师完全有必要也有可能在其中发挥自己的作用。 （二） 、瞬时速度教学的困难及其实验研究 瞬时速度的教学是公认的中学物理概念教学的难点，中学物理教学大纲和教材对这一内容的要求一 降再降。但是，教学上如何处理这一学生理解上有诸多困难的课题，仍然是无法回避的问题。如何发挥 实验在克服这一教学疑难中的作用，应该是很值得研究。 1、瞬时速度教学的困难及其原因分析 运动的物体在某个时刻或通过某个位置确实存在一个快慢问题，也就是说有一个瞬时速度。然而， 中学物理教学中对这个概念到底应该处理到怎样的深度？瞬时速度在理论上如何定义？在实验上如何测 量？等等。是长期以来公认的教学难点。80 年代初，中学物理教学界曾对此进行过热烈的讨论，因为那 时的试用教材对瞬时速度概念的处理所用的方法，和普通物理基本上相同。这些年来，对瞬时速度概念 教学的讨论似乎冷了下来，因为教材对这个问题的处理一再降低，到 1990 年的版本，除了“运动物体在 某一时刻（或通过某一位置）的速度，叫做瞬时速度” 这样一个定义外，就只剩下一段引入的和一段描 述汽车速度表总共加起来不到一页的文字了。可能有人会认为这样就只需让学生知道并记住上面的定义 就行了，不再有什么可讨论的。 果真如此吗？如果我们去了解一下在大学已经学习过数年，即将要走上物理教师工作岗位的大学生 对瞬时速度的理解，就会发现问题的严重性。他们能表述瞬时速度的概念和普通物理中用极限对它所作 的定义。但我们的问题是，瞬时速度到底是何意义？既然瞬时速度不是 ，而是 在 时tsts0 的极限，在 时也有 ，而瞬时速度又不为零，这在物理上如何理解？ 在 时0t0s 的极限与 在物理上到底有何联系？这一连串的问题，不少大学生难以清楚地解释。在中学物理中，s 对瞬时速度要求学生实质性地理解听起来好像目标太高，大学物理教学似乎更有理由只是从理论上、从 数学定义上来阐述这个概念。由于在这一概念教学上的衔接问题，大学生对这样的基本物理概念仍不能 真正理解就不足为怪了。那么，在中学生的知识基础上，如何促进学生理解瞬时速度的概念呢？下面从 实验的角度来探讨这个问题。 2、用平均速度近似代替瞬时速度的测量方法及其教学应用研究 要使学生能实质性地理解瞬时速度的意义，离不开对瞬时速度的测量，特别是对测量方法和实验过 程的熟悉和理解，非常有利于学生把握瞬时速度的本质，用平均速度近似代替瞬时速度，是最常用的测 量瞬时速度的方法。对匀速运动来说，由于速度时时刻刻都一样，任取一段时间 ，将该段时间内物体t 的位移 与时间 的比值 计算出来，即为该段时间内的平均速度，也为物体任意时刻的瞬时速stts 度。但是对于变速运动，一段时间的平均速度 ，只能表示这段时间内物体的平均快慢，不能代表ts 这段时间内各个时刻的瞬时速度，更不能表示这段时间以外的瞬时速度。但是当我们把时间间隔 取得t 短一些，则由于时间间隔的缩短，物体运动速度变化的幅度也将减小。当时间间隔短到一定程度，使我 9 们所用的测量仪器再也无法测量出更短的时间间隔或距离时，我们就只能用这段时间内的平均速度来表 示这段时间内任意时刻的瞬时速度了。这显然只是近似的表示，但是，由于这段时间内速度的变化很小， 我们不计这种变化（实验上也无法计它了） ，所带来的误差并不大，不影响我们对物体速度的描述，这样 的近似在物理实验上就是完全合理的、也是不可避免的。 实验是要受到仪器的限制的，而思维却是不受限制的，在前面所述的时间间隔短到使测量仪器无法 测出更短的时间或距离的程度时，我们的思维却可以不受影响，完全可以继续把时间间隔设想得更短， 因而在更短的时间内物体运动速度的变化幅度就更小。我们最终可以把时间间隔设想得无限地短，要多 短有多短，这样物体运动的速度变化就消失了，平均速度在这种极限条件下成了瞬时速度。 然而，对中学生来说，要从思维上把握瞬时速度的概念本质是不容易的。 他们需要在上述的实验处理方法和理论思维之间的桥梁，能充当这种桥梁作用 的，就是那种精心设计的、能把实验和理论真正融为一体的教学。下面介绍的 如图 12 所示的实验设计。在图中我们要测的是沿斜面向下加速运动的物体经 过 O 点的瞬时速度，而我们实际上能测的只是物体在一段位移内的平均速度。 若我们在设法保持物体每次的运动都一样的情况下重复多次测量，先测出它在经过 EO 这段位移的平均 速度，然后逐步缩小测量的时间间隔直到由于实验仪器的限制不能再小，依次测出它经过 DO、CO、B O、AO 的平均速度；接下来把测量点移至 O 以下，依次测出它经过 EO、DO 、CO、BO、AO 的平均速 度。然后可以引导学生从测量的数据中发现物体平均速度变化的特点。在 O 以上的测量点得到的平均速 度值，越接近 O 点越大，AO 段的平均速度 最大；而在 O 点以下的测量点得到的平均速度值，越接oAv 近 O 点越小，AO 段的平均速度 最小。不难理解，若要选用平均速度来近似地表示物体过 O 点的瞬时Ao 速度， 或 是最佳测量值。然而，从测量的数据比较我们看出， 虽然是从 O 点以上的测量点得oAv oAv 到的最大平均速度值， 是从 O 点以下的测量点得到的最小平均速度值，但是 仍然大于 ，若测Aov ooAv 量的时间间隔还可以进一步缩短，即 A 和 A 点可以进一步向 O 点移近，则测得的 还会有所增大、 也会有所减小，但是 仍然大于 ，只不过 和 的数值会更接近。O 点的瞬时速度既不是oAv Aovov ovA 也不是 ，它应该比 大而比 小。在我们想象测量的时间间隔无限地短，即 A 和 A 点无限 Ao A 地接近于 O 点时， 和 的数值就会没有了差别。这个 和 最终趋于同一的数值就是 O 点的瞬vAo oAv 时速度。 3、用测量匀速运动的速度来测量瞬时速度的实验方法分析研究 通过测量平均速度来测量瞬时速度的实验方法，是英国物理学家阿托伍德（Atwood）于 1784 年首先 提出来的，其设计思想巧妙独特，深入领会它对于理解瞬时速度会有帮助。 如图 13 所示的就是被人们称为阿托伍德机的简化原理图，阿托伍德设计这个装置主要用于验证牛顿 第二定律。 按阿氏的观点，力学实验分为静力学和动力学实验两大类。静力学实验问题一般容 易解决，因为摩擦力的存在抵消了外力的作用。而动力学实验正相反，必须把摩擦力尽 量减至最小，同时要使用恒力进行实验，要做到这些不是容易的事。就自由落体实验来 说，研究的下落距离不能太大，因为那样的话速度达到很高时，空气阻力的影响就太大 了。然而研究的下落距离不够长的话，时间测量的误差就大了，于是就有了伽利略用斜 面来“冲淡引力”的实验方法，可是物体间直接接触时，摩擦阻力是比较大的，为减少 阻力一般就要采用滚动体，但这样一来涉及的研究对象就不能再视为质点，此外，产生 图 12 图 12 10 加速度的力总是和物体本身联在一起、无法分离，以至于不能对同一个物体施加不同的外力，也无法将 同样的力施于不同的物体。因此，需要设计一个既能方便地改变研究对象的质量，又能施加恒定的但可 以任意改变的外力于研究对象以及距离、时间和速度都可测的实验装置。 如图 12 所示的装置就能满足以上的考虑和要求。为了能将产生加速度的力和物体本身分开，采用一 根细绳两端各系一个质量相同（M）的物体后跨过滑轮悬挂，这样的系统有质量但可看成没有重量，而在 图中右边的物体上加一个相对轻小的物体（m ）后，作用在整个系统上的外力就是该轻小物体的重力 mg，系统的加速度因此得到方便有效的控制。而系统在加速运动的过程中速度时刻在变，如何对它进行 测量呢？阿托伍德非常巧妙地解决了这个问题，按照阿托伍德机的设计，在系统加速运动的过程中，若 将那个对系统施加外力作用的轻小物体在某个时刻突然撤掉， （忽略摩擦的话）系统将处于所受合外力为 零的状态，此后的运动就变为匀速运动，而这个容易测出的匀速运动的速度值，就是在外力被撤销那一 个时刻物体的瞬时速度。而将外力突然撤掉的方法，也很简单方便，在图中右边物体要经过的路线上设 一个可上下移动的圆孔平台，实验时轻小物体 m 用的是一根长度大于圆孔内径、平放在右边物体 M 上的 小棍，当右边物体 M 穿过圆孔时，就会将 m 留在圆孔平台上。 （三） 、力的演示与测量实验研究 1、力的定性演示 在中学力学的范围，力的定性演示应该说不存在太 难的问题。但学生理解有困难的问题倒不少。需要有精 心设计的演示实验来帮助学生释疑。 （1） 微小形变的显示 我们知道，弹力与物体的弹性形变总是联系在一起 的。对于形变明显的情况，学生没有疑问。但是， 当讲到一本书压在桌子上，书对桌子的压力（弹 力）使桌子发生了微小的形变时，要学生确信就 会有些困难。因此，要通过实验，将这类微小的 形变加以放大，使学生能清楚地观察到形变的发 生。在中学物理课本中，原来采用如图 13 所示的 装置来放大桌子的微小形变。后改为如图 14（1） 所示的插有细玻璃管的盛满水的玻璃瓶来演示， 简化了实验装置。而且由于玻璃是很难形变的材 料，能演示出它的形变更加令人信服。但是，这 种演示方法更精彩的是采用椭圆形而不是圆形的 玻璃瓶来演示。一位实验改进者在他的文章中已 明确地提出用“一个扁平状、容积在 600ml 以上 的玻璃墨水瓶”来做这个实验。如图 14（2）所示， 用力挤压玻璃瓶可见到细管中的墨水明显上升。但是不知是何原因作者写到这里就结束了，把体验这个 实验的更精彩部分的乐趣留给了那些喜欢亲手实践、喜欢质疑和重视研究学生思考的老师，实际上，只 有照如图 14（2）所示沿椭圆瓶截面短轴方向挤压时，才可见到细管中的墨水上升，而若照如图 14（3） 所示沿瓶截面长轴方向挤压时，细管中的墨水却会下降，这就更有力地说明确实是施力使玻璃瓶发生了 形变。没有这一步，完全可能有学生会坚持认为所见到的现象是由于手的传热使瓶中之水膨胀所致。 （2） 摩擦力方向的实验演示 摩擦力的方向总是与物体间的相对运动方向或相对运动趋势方向相反。对此，学生在学习中困难普 遍较大，特别是对于相对运动趋势的方向，在判断上问题较多，有的中学老师精心设计一些有针对性的 物理实验，让学生观察、感知摩擦力方向的特点，从中总结判断摩擦力方向的方法，在很大程度上化解 图 13 图 14 （1） （2） （3） 图 15 图 16 11 了学生理解的难度。例如，地面对自行车轮的摩擦力方向，学生很容易判断错误。有的老师就引导学生 观察自行车在沙土较多的地面打滑时扬起沙土的情况，学生在不知不党中解开了疑团。又如，对于皮带 运输机上的物体，在皮带刚开始启动和突然停止时，物体与皮带间的摩擦力的方向如何判断？学生也很 为难。有老师就在薄木板上钉一些图钉，然后将布满钉尖的一面放在手掌上，上面压上一个硅码，让学 生拿着做突然起步和停止的走动，通过手心的感受模拟皮带运输机上的物体对皮带的施力方向。学生有 了这样的体验，处理起问题来困难就小多了， 广东的一位中学物理老师郭章意，则巧妙地利用毛刷来演示静摩擦力的方向。如图 15 所示，找一个 理发用的毛刷，放在不太光滑的桌面上，毛刷上再压一个木块或钩码，用手拉木块或钧码，毛刷与桌面 虽然未见移动，但刷毛的弯曲情况，就很明显地表明了桌面对毛刷所施摩擦力的方向。而若将三个毛刷 叠放起来并分别施拉力于其上，如图 16 所示，则用于讲解学生深感棘手的两个物体叠放而分别受外力时 静摩擦力方向判断的问题，可收到事半功倍的效果。 （四） 、运动与力关系的实验研究 力是物体运动变化的原因，而不是运动的原因，这一关于力与运动关系的结论，在历史上是来之不 易的。二千多年前由古希腊哲人亚里士多德提出的“运动需要力来维持”的观点，经过中世纪教会的神 化，直到 16 世纪才被近代精密自然科学之父伽利略在历史上第一次用观测和实验决定性地驳倒，然而， 今天的学生却一再“重复着昨天的故事” ，从物理课堂上得来的惯性概念，在他们内心的认识上，只不过 是维持运动所需要的“原动力”的一个代名词而已，这种可以用科学术语来包装的前科学概念（简称前 概念） ，即使为物理教师所识别出来，也不是很轻易地就可以纠正的，更不能用那些自以为是的教学加以 “消灭” 。对物理教师来说，非常清醒地认识到学生前概念存在的普遍性、合理性和顽固性，处处留心辨 别、发现和引出学生的前概念并细心发掘他（她）们内心深处的想法和理解，利用各种教学方法和手段， 逐步实现学生前概念向科学概念的转化，才是可能有效地解决这个问题的思路。特别值得指出的是有关 的演示实验，更需要在设计上融入对学生理解的精心考虑。按照这种思路，下面我们先对中学物理中已 有的实验作一些分析。 如图 17、图 18 所示的是两个在中学物理教学中最常见的用来说明惯性的实验，毫无疑问，实验所演 示的确实是与惯性有关的现象。但是，学生要从中思考清楚惯性在所观察到的现象中所起的作用，恐怕 不是件容易的事情。因为，影响这两个实验的因素并不很单纯，特别是如图 17 所示的实验。实验应演示 的现象是松开弹片后，钢球下面的硬纸片被弹出，而钢球则掉到了下面的筒里。所作的解释是钢球由于 惯性要保持原来的静止状态，就留在了原处，实际上并不这样简单，在这个实验中，钢球具有惯性，要 保持原来的静止状态，但钢球受到了硬纸片所施的摩擦力的作用，它能否掉进筒中，肯定还跟这个摩擦 力的大小及作用时间有关。为简化起见，我们不考虑钢球的滚动，将钢球和硬纸片的受力情况用图 19 来 表示。设钢球和硬纸片之间的动摩擦因数为 ，则硬纸片对钢球的摩擦力为：gmNfABA 而 ，a 所以 。AA/ 可见， 与钢球的质量无关，只由钢球和硬纸片之间的动摩擦因数来决定。这说明什么问题呢？实 图 17 图 18 NAB mAg fAB A NBA fBA N mB g F B 图 19 12 际上，在弹片对硬纸片作用的过程中，钢球和硬纸片的加速度方向相同，钢球能否掉进筒中，必须满足 的一个条件就是硬纸片的加速度至少要大于钢球的加速度。是否满足这个条件，从外力来说，当然弹片 对硬纸片的打击力越大越好；从 A、B 系统来说，决定的因素是 B 对 A 的摩擦力，只有当使 A 加速所需 要的摩擦力大于 B 对 A 所能施的最大静摩擦力时，A、B 之间才可能相对滑动，钢球才可能掉进筒中。即 使 A、B 之间有了相对滑动，钢球的加速度 也不能太大，否则仍有可能掉出筒外。而钢球的加速度Aa 竟与其质量无关，最后起作用的是 A、B 之间的动摩擦因数！换句话说就是，若 A、B 之间足够光滑的a 话，钢球才有可能掉进筒中，否则不然，而不管钢球的质量如何，这就值得思考了，因为我们知道质量 是物体惯性大小的量度，一个演示惯性的实验，能否得到所期望的现象，竟与物体的惯性大小无关，而 是由与惯性无关的摩擦来决定，这难道说得过去吗？这使我们不得不要考虑它作为惯性演示实验的合适 性问题。类似的大同小异的例子还很多，也都被用来说明惯性的存在和作用，事实上，这个实验真正能 说明的倒是冲量定理，用于作惯性的演示实验，不仅存在前面所讲的问题和影响因素过于复杂的问题， 而且对学生的前概念没有多少针对性，学生很容易用肤浅的“那是由于惯性”等说法对付所有这一类现 象。 和历史上的“运动需要力来维持”的观念形成的原因一样，学生在早期的日常生活中大量观察到的 停止施力物体就不再运动的现象，是他们在头脑中形成前概念的感性基础。要挑战学生的这种有长期个 体经验基础的前概念，就必须通过实验把物理现象突出到为人们的自然观察所忽略或达不到的程度，使 学生对个人的观念有所认识和反思。从这个角度考虑，摩擦力的影响是关键，设计实验演示物体在尽可 能小的摩擦力作用下的运动行为，让学生自己发现原有观念错误的原因，应该是很有必要的。 由于速率不高的物体在空气中运动所受的阻力比在物体表面运动时小得多，用 气垫来演示效果很好。如图 20 所示的简易气垫更值得推荐，因为每个学生都可以做 一个自己去体验。所需的材料只是一个气球、