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淺談如何設(shè)計力學自主性學生實驗論文
隨著素質(zhì)教育的不斷深化，對學生自主性學習及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，已越顯重要。近幾年來的中考試題中關(guān)于力學的相關(guān)實驗，已跳出課堂安排的學生實驗，要求學生能熟練掌握基本測量儀器的使用，較深刻地理解實驗原理，尤其是在自我設(shè)計完成實驗的過程中，要求科學合理及可操作性。這對學生而言，綜合所學知識，完成測量等任務，最終達到實驗目的，同時對實驗的構(gòu)想、操作也要能清晰地用文字反映出來。力學實驗中，涉及的范圍廣，使用的基本儀器多，熟悉各物理之間的關(guān)系及各測量器材的使用是完成自主性實驗的關(guān)鍵，而加強思維、設(shè)計正確的實驗方法是完成自主性實驗的保證。下面談談幾種設(shè)計自主性學生實驗的方法：
一、以多測少，以少測多
所有測量儀器，都有一個測量范圍和最小刻度值，當被測量對象大于儀器的測量范圍時，已不可能進行一次性測量，而分次測量必定要使誤差增大。當被測量的對象小于儀器的最小刻度值時，測量不出一個有效的數(shù)據(jù)而無法得出較準確的實驗結(jié)果。遇到這種情況，就要采取“縮小”即以少測多，或“放大”即以多測少的方法。具體實驗時，要注意：
1．所測對象必須是“同類物質(zhì)”。例如：要測量一顆麥粒的質(zhì)量，顯然小于天平的最小刻度值而無法直接測量，這時就要測量幾十�；驇装倭Ｏ嗤柠溋Ｙ|(zhì)量，再如：用一把米尺測量兩地距離，顯然米尺不夠長，就可采用先測量正常行走的每一步長，再統(tǒng)計步數(shù)，實驗時就要求步伐大小相等，即保持正常步行。
2．“放大”或“縮小”后的測量對象，應滿足測量器材的要求。即小于儀器測量范圍而大于測量儀器的最小刻度值，也就是說要有一定的數(shù)量可改變。例如：測一枚硬幣的厚度時，就可用10枚相同硬幣地疊放，但要測量一張紙的厚度時，測量10相同張紙疊放的厚度就不行，根據(jù)每張紙的厚度，就應取幾十張紙疊放測量才有效。要指出的是，在采用“以多測少”時，實際上是提高了測量儀器的測量精度。如：一把刻度尺最小刻度值是1mm，若采用“放大”10倍測量時，實際上是使測量精度提高到能測量0．1mm的物體長度，因此在記錄最終實驗結(jié)果時，要注意有效數(shù)。
二、“比較法”進行測量
當測量器材不足以直接測量時，可采用類比的方法，即用“比較法”去測量。采用此方法的關(guān)鍵在于要找好“參照物”，歷史上有名的“曹沖稱象”就是最典型的“比較法”測量。通常初中物理力學測量密度等實驗中，最常用的參照物對象就是水的體積、水的密度等。例如：只提供量筒和適量的水怎樣測出橡皮泥、小酒杯的密度？對于這兩個問題相當一部分同學只知道如何測量小酒杯的密度，而不會測量橡皮泥的密度。其實稍加比較就可以看出兩題形異質(zhì)同：（1）測量的工具均為量筒；（2）所使用的液體都是水；（3）待測物體的物質(zhì)密度均比水大。如果把橡皮泥做成杯狀或管狀或碗狀，那么問題就迎刃而解了。
三、等量替代原理
當測量器材無法直接測量時，就要設(shè)法用可以直接測量的物理量來取代不能直接測量的物理量。采用此方法時，唯一要注意的是直接測量的與不能直接測量的物理量之間要有內(nèi)在的聯(lián)系，找到這種內(nèi)在的聯(lián)系，也就完成了實驗的設(shè)計。內(nèi)在的聯(lián)系一般可從數(shù)學和物理兩方面去找。例如：根據(jù)D＝2πR，可測量出圓周長從而得出圓半徑，這就是利用數(shù)學關(guān)系得出周長與半徑的關(guān)系，又如：利用G＝mg的關(guān)系，用彈簧秤就可以間接測量物體的質(zhì)量，這就是利用物理關(guān)系得出重力與質(zhì)量的關(guān)系，通過彈簧秤測量出重力而間接得出物體的質(zhì)量。
可以說“等量替代”的思想是物理實驗成功的最根本、最重要的思路。物理學中的相關(guān)定律、定理、公式、原理都是以替代思維成立的基礎(chǔ)為出發(fā)點的。例如：測量固體的體積，在有量筒或量杯時，可采用“排液補差”法直接測量。但沒有量筒或量杯時，對于規(guī)則物體可用刻度尺去測量它的幾何尺寸，再進行體積計算，對于不規(guī)則的物體，可用彈簧秤和水，通過測量浮力大小，結(jié)合阿基米德原理F�。溅岩篻V排（全部浸沒），得出V排＝F�。岩篻等方法。因此熟悉各個物理量原理是用好“等量替代”法進行自主性實驗設(shè)計的關(guān)鍵。
在具體設(shè)計實驗的過程中，實驗步驟必須具有可操作性和科學性，并能力求減少實驗的誤差，步驟設(shè)計也應力求簡單而合理。例如：在使用“排液法”測量物體的體積時，要寫明“量筒內(nèi)倒入適量的水”，其中“適量”的含義就是既能將待測物體浸沒而又不超過量筒的量程。再如：有些學生喜歡用“將量筒置于天平上測量質(zhì)量”和“燒杯裝滿水，用天平測量”等等此類的語言來反映實驗過程，這些都不科學，也不便于實際操作，因此不能出現(xiàn)在實驗步驟中。上述的不科學性在于把量筒的功能誤認為與容器的功能相同。
正確的步驟應是有利于實驗的測量，有利于減少實驗的誤差。例如：測量液體的密度時使用天平和量筒、盛液體的燒杯，其步驟應先測量杯子質(zhì)量還是先測量杯子和液體的質(zhì)量？盡管所使用的原理都是“補差法”，但對照量筒中液體的體積，就應該先測量燒杯和液體的質(zhì)量，再測量倒出適量液體后的質(zhì)量，這樣兩者之差就是從燒杯中倒出的液體質(zhì)量，而此時量筒內(nèi)液體的體積也就是杯子倒出的液體的體積，有利于減少實驗的誤差。
四、控制變量法
在初中物理教學中還有許多概念或規(guī)律之探索和推導的實驗過程中，都運用了“控制變量法”這一科學方法，用“控制變量”去分析和解決的實際問題是很多的，這就為這一科學方法的教學和應用提供了很好的機會。如在引導學生探索“導電體中電流大小同其兩端電壓大小和其電阻大小之間的定性關(guān)系，最終得出歐姆定律”和探索“力的作用效果同力的哪些因素有關(guān)，最終得出力的三要素”等實驗過程中都用到了這一科學方法，使學生對“控制變量法”不斷加深理解，并逐步達到有意識地去應用的目的。
例如，有這樣一道題：質(zhì)量相同的水和煤油，吸收相同的熱量，誰的溫度升高較大？對于這一道習題，初看起來似乎有一定的難度，因為這樣簡短的一句話中包含了四個相互關(guān)聯(lián)的物理量，也就是說，要比較誰的溫度升高較大，就要同時分析其它三個物理量（質(zhì)量、熱量、比熱容）對它的綜合影響，如果沒有一種科學的分析方法，要解決這樣一個實際問題，不僅費時費力，且準確率不高，但如能對學生加以恰當?shù)囊龑�，讓他們考慮是否可用物理實驗中常用的科學方法來解決這道實際問題，經(jīng)過思考及同學間的相互討論，許多同學便會想到用“控制變量法”結(jié)合公式Q＝cmΔt來解決這個問題，思路是這樣的：因為這個問題要解決的是Δt（升高的溫度）的大小，所以先將此公式變成Δt＝Q／cm的形式，再分析題目發(fā)現(xiàn)，m（質(zhì)量）、Q（熱量）相同，即這個問題中Δt僅取決于c（比熱容），且從Δt＝Q／cm這一關(guān)系式中可以看出，Δt與c成反比，而水的比熱容大于煤油的比熱容，因此很容易得出這個問題的答案是：“煤油升高的溫度比水大”。在初中物理（如在力學、電學、熱學）中，可用“控制變量”這一科學方法去分析解決的實際問題還很多，這就為學生靈活應用這一科學方法解決問題提供了保證。
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