高中物理 第三章 相互作用 3.4 力的合成 探究合力与分力的关系素材 新人教版必修1.doc

探究合力与分力的关系实验探究之可能性新课程把“探究式学习”提高到非常高的高度，甚至有人认为这是物理学习的唯一正确的方式。于是新教材上把原来的一些验证性实验改成了探究性实验，目标自然是要让学生去探究，从中体验科学探索的乐趣，继而激发兴趣，学习方法，提高能力，形成科学素养，培养科学精神，云云。探究性实验真的有如此功效吗？我们以“探究分力与合力的关系”为例，来讨论一下这个问题。实证精神，是科学精神最重要的方面之一。物理学以实验为基础，注重实验依据，正是这种实证精神的具体体现。所谓实验可以推翻理论，而理论永远不可能推翻实验，是也。可见物理实验在物理学中不可撼动的地位。经典物理学以其严格、精确而被称道。物理实验以严密、准确作为其追求的目标，从现象到理论，必须具备逻辑上的严密；从数据到结论，必须具备数学上的准确。实验不可避免地带来误差，误差的存在肯定会有损于物理学的严密性和准确性。所以，物理学的发展在某种程度上依赖于实验仪器的精密度，物理学的进步也与实验技术的提高密切相关。中学实验室的器材一般都是比较简单，精度也很低，实验误差较大也就不可避免。利用这样器材，是否能够通过“实验探究”来得出正确的结论，并让学生体验到物理学追求严谨、准确的实证精神，我看未必。比如学生在进行“探究分力与合力关系”实验时，教材上提示学生“用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接”起来看看。意思是学生这样一连，或许就能看到一个平行四边形，从而得出结论。实际上，不论学生多么认真仔细地进行实验，他们都不可能得到一个严格的平行四边形。当然，虽然每次都不是平行四边形，学生仍然就会很容易地得出平行四边形定则。原因之一是他们已经从书上看到了平行四边形定则的内容，知道这个结论（所以实际上并不是真正的探究）；原因之二是学生知道，凡实验都是有误差的，所以他们知道对实验结果是不能太苛刻的，只要有点象平行四边形就行了。但这是很成问题的，为什么每次都不是平行四边形，还能够得出“平行四边形定则”这样的结论，这难道是一句“因为误差”就可以蒙混过去的吗？如果对实验数据的偏差统统用“因为误差”来搪塞，那物理学的严谨和准确又体现在哪里？经典物理学的严格、精确的最大特色（即后人认为的机械论特色）体现在哪里？实证精神体现在哪里？（有极端者认为，物理理论永远不能用实验来验证，原因也在于此吧。）实际上，物理学对实验数据的要求是非常苛刻的，不允许有半点含糊。如果实验数据的偏差都用“因为误差”四个字来搪塞，物理学也不会有今天的发展。物理学上很多重要的发现和发展，都是源于对实验数据中出现的极小偏差的追究（比如开普勒否定行星圆轨道而提出椭圆轨道、水星进动的研究和相对论理论的被认可）。其实，物理实验的误差与物理学的严密、准确并不矛盾，有误差只是不精确，不等于不准确。在有误差的情况下追求准确，就必须通过误差分析。在“探究分力与合力关系”实验中，理想的结论就是分力与合力的矢量图是一个平行四边形，如下图。但哪怕再精密的仪器，都存在误差，都不能得到上面这个图。因为实际测得的分力，合力的大小、方向都不是真实值。下面我们假设力的测量只存在大小上的误差，来对这个实验进行误差分析。实验有误差，也就是我们通过测量，只能得到一个真实值的范围。通过多次测量，可以确定实验中可能存在的误差的大小（这个受限于实验仪器和操作者的技术），据此，我们可以确定真实值的可能范围。如下图所示，假设f1、f2为分力的测量值，根据可能存在的误差，可确定f1的真实值就是在f1、f1之间，f2的真实值就是在f2、f2之间。然后分别以f1和f2、f1和f2、f1和f2、f1和f2为邻力，可以作出四个平行四边形，这样得到一个理论上合力测量值的范围：合力f的箭头末端应该在下图右上角的黄色区域内。考虑到合力的测量也同样存在误差，这个范围还要进一步扩大但最终我们总能确定这个合力测量值的范围。如果我们测得的合力在这个范围之内，就证明平行四边形定则是成立的，如果我们测得的合力在这个范围之外，就说明平行四边形定则不成立。更严格的分析，还要考虑每次测得的合力的分布情况。如果进行多次实验，所有实验结果在上述区域内呈正态分布，则说明平行四边形定则成立；如果不是正态分布，则有两种可能，一是实验存在系统误差，二是平行四边形定则不成立。这就是为什么要通过多次测量去验证一个物理规律的原因。当然，作为高中阶段，不可能要求学生进行如此严格的误差分析（以上只是泛泛而谈，真正进行误差分析，计算量很大，并在数学上有很高的要求）。但不进行这样的误差分析，物理学的严密性和准确性就得不到体现，所谓忠实于事实的实证精神也无从体现。在不进行误差分析的情况下，要“让学生体验科学探究的过程”，并从中体验物理学的严密性，体验追求实证的科学精神，我看实在是不可能的。让高中生进行严格的误差分析，又实在是不太现实的。这种情况下，硬是要把物理学习搞成一种探究，那也只能是走走过场、做做戏，这样的探究到底还算不算探究，有多少实际的意义和价值，