以力为线索看高中物理牛顿第二定律实验方案设计的简洁性

以力为线索看高中物理牛顿第二定律实验方案设计的简洁性

於中平,张娟

江苏省大港中学

摘要：设计科学合理的实验方案是进行科学探究的重要保障，挖掘设计实验方案背后的原因，并以此带领学生再认识物理规律，会加深对实验方案的理解，培养学生分析论证的能力和创新拓展的思维。本文以高中物理常见的牛顿第二定律实验探究多种设计方案为例，对方案背后体现出的简洁性做了初步探讨。

关键词：高中物理实验  牛顿第二定律  实验方案  简洁性

物理实验教学中会遇到同一个实验探究有多种方案，它们的实验原理相同，但具体实验过程有差异，教学中可以从能提供器材的实际情况出发，结合实验需求帮助学生理解这些差异产生的原因，培养学生对不同观点和结论质疑、批判，并能恰当地制定和实施实验探究方案，能使用各种科技手段和方法收集和处理数据，以此提升物理核心素养。

牛顿第二定律是高中物理动力学基础，它涉及加速度与力和质量的关系，如何为运动的物体提供一个恒定的合力，以及测出这个合力是本实验的关键。本文从经典实验案例入手，对该实验中涉及力的方面进行探讨，以此说明设计实验探究方案需要注重简洁性。

一、与认知规律相符

牛顿第二定律具有瞬时性，即加速度会随着力或质量的改变而改变，现实生活中的案例多是为此，但教学中我们要充分意识到学生的认知活动总是从简单、具体不断向复杂、概括发展的，所以在实验教学中应该优先选择加速度恒定的情景作为实验方案，从提供力的角度来讲，我们需要恒定的外力，最简单的方法只需要如图所示1，挂上重物就行，如果木板水平，拉力（T）减去摩擦阻力（f）即为小车所受合力，即F合=T-f。所以，用挂重物的方法得到恒定的合力，这样既简单又方便，是绝大多数实验采用的好方案，体现了实验的简洁性。

二、令主题更加突出

在能达到实验目的前提下，实验方案的选择应化繁为简，突出主题。如果直接用图1的方案探究，将面临摩擦力f的大小测量问题，这会冲淡本实验的主题，即本实验探究加速度与力和质量的关系这一规律是主题，测量力是其中的一个环节，不要小题大做，冲淡主题。教学中通常采取阻力补偿法，即让木板的一侧垫高，使小车在不受牵引时重力沿斜面的分力与受到的阻力平衡，我们又称之为平衡摩擦力，也是新教材上提供的参考案例1，如图2所示，其实质是简化合力，体现实验的简洁性。

三、让数据处理方便

在平衡摩擦力之后，调整细线方向与木板平行这一步骤是整个实验数据处理上化繁为简的关键步骤。我们反向思考，如果线拉力方向与木板不平行，一方面，拉力沿着垂直木板方向的分力会改变物体与木板之间的正压力，从而改变摩擦力，这就会使原来平衡摩擦力的工作失效；另一方面，此时的拉力必须要分解，其在水平方向上的分力减去摩擦力才是实验探究中需要的合力，此时要想得到合力就很繁琐，不可取。一旦细线拉力方向与木板平行，小车受到的合力就等于绳子的拉力，即F合=T。由此可见，调整细线方向与木板平行的目的也是体现实验数据处理的简洁性。

四、使数据测量可行

在进行实验时需要测量小车（M）所受的合力，在图2中平衡摩擦力并使细线方向与木板平行后，若能测出细线的拉力即得到小车所受合力，即。学生中普遍存在一种错误的认识，认为细线悬挂物体（m）时，拉力总等于悬挂物体的重力。事实上当被挂物体由静止释放而加速下降时其重力（mg）大于细线的拉力（T），也即mg大于小车加速时所受合力（F合）。通过对系统分析可知： ，当m≪M时，mg≈T，也即mg≈F合，此时可把被挂物体的重力当作小车所受合力来处理。由此可知，m≪M是从数据测量的可行性方面考虑，为了测得简单的合力，而设置的实验条件，是实验简洁性的深层次表现。

五、用科技进步优化

随着科技不断进步和广泛应用，传感器这类数字化的实验器材已经逐步进入高中实验教学当中，这让直接准确的测量数据变得更加简洁，使经典的实验方案得以优化。如图3所示，运用气垫导轨和力传感器进行实验，在气垫导轨调水平后，力传感器测得的数据即实验所需滑块受到的合力，因此钩码质量（m）与滑块质量（M）就无需满足条件m≪M，在实际教学中发现很多学生仍然生搬硬套m≪M的关系，究其原因是对经典实验方案的简洁性认识不够，继而对方案的改动无法理解而出错。因此新技术在实验教学中的广泛应用，是对原实验方案不足或繁琐之处的改进，更体现了实验的简洁性。

很多物理学家都曾采用“寻求简单”的逻辑方法来研究物质世界，高中物理实验教学也应如此。在对牛顿第二定律实验探究多种方案的探讨后，我们可以看到该实验在挂重物、平衡摩擦力、使细线方向与木板平行、使用力传感器等方面的设计，是为了让所需要的合力变得简单，充分体现了实验方案应该注重简洁性。