物理科学探索中的实验设计研讨

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实验该如何设计呢?分析实验的目的,我们一是想证实自由落体运动的初速度为零,这个很简单,可以通过对下落初始状态的控制来实现;二是想证明其加速度为g,这要通过定量计算才能得到;三要证实自由落体运动的两个规律:这也不难,在第二个的基础上可以推理得到.显然第二个目的是实验设计的重点.

而从学生角度来分析,我们不难发现学生对自由落体运动是不是匀加速直线运动难以有直接的感受,因为这已经超过直觉的范围.因此,本实验设计的思路应当是为学生搭建认知的阶

梯:1.自由落体运动有没有可能是匀加速直线运动?如何证明?2.一种运动如果是匀加速直线运动,则必须具备什么条件?这种关系用数学关系式又该如何描述?基于以上思考,实验设计的脉络基本清晰思路一用多媒体演示物体自由下落的频闪照片,然后直接提供测量数据,通过对数据的分析,得出自由落体运动是匀加速直线运动.这种方法简便而易用.但学生未有亲身经历,说明力不强.

思路二可以将一重物与纸带连接,然后借助于打点计时器,使得重物自由下落时在纸带上打出一系列的点.然后通过用刻度尺测量点之间的距离(位移),进而用计算结果证明物体自由下落时做的是匀加速运动.但由于摩擦等因素,测下来的结果未必准确,尤其是影响加速度大小,某种程度上讲已经不是自由下落,因此也容易形成一些疑问.

思路三借助于DIS等现代技术来完成本实验.但由于多数学校不具有这样的条件.思路四作为一般学校比较可行的措施是结合上述思路一与思路二,先完成思路二的实验,再提供思路一的多媒体展示,这样学生可以在亲身体验的基础上去感受频闪的结果,一方面可以消除怀疑,另一方面数据相对准确.因此,得出的规律既准确又有说服力.

例析二逐步证明众所周知,证明包括/证实0和/证伪0两大内涵.对于证实,课堂上的例子非常多,而对于证伪则比较少见,因为其对于得出正确结论似乎不太起作用,而事实上并不是如此,科学史家认为证伪与证实的意义相当,应当在物理教学中予以高度重视.

在高中物理教学教学中,对于相当部分科学探究而言,学生提出的猜想中往往有多个因素,这些因素中往往是有的是真因素,有的是伪因素,这时就必须逐一证明.例如,/简谐运动的位移-时间图象0探究中的实验设计.在利用弹簧振子、单摆、沙漏摆等进行初步演示之后,认识了什么是简谐运动,然后自然提出待探究的问题:简谐运动的位移-时间图象是怎样的?

根据教学实践,学生结果一般的猜想有三种:一是认为简谐振动的位移-时间图象是/折线型0的,如图1;二是认为图象是/半球型0的,如图2;三是认为是正弦曲线,如图3.猜想一,他们多是从弹簧振子振动为直线轨迹的实验得出的直觉;而猜想二,他们多是从单摆类的简谐运动做部分圆周运动得出的直觉;而猜想三,那也是在一定思维基础上提出的,虽然是科学结果,但却并不能说明理由.在上述分析的基础上,本探究的要点就在于三点:一是提供能做简谐运动装置;二是要能显示简谐运动的位移-时间图象;三是要能验证图象的性质.

考虑到这一难点,实验的设计分两步完成:第一步,用简易沙摆作简谐运动,用一张纸放在沙摆下面,引导学生分析得出,当纸不动时,沙子在纸上会形成一条重合的/线0,而这,显然不能显示摆作简谐运动的位移-时间图象.再进一步分析,其实是因为其没有能显示出时间的变化.那如何显示时间的变化呢?可以拉动纸?为了显示探究的真实性与完整性,可以设计让学生来拉,结果必然是出现不匀速拉动的情况,于是纸上出现的图象便是不规则的.摆的振动是有规律的重复运动,为什么出现的图象却是无规则的呢?带着这个问题便容易分析出是由于拉时不匀速造成的.于是/匀速拉动0的条件便自然得出.然后教师引导学生分析,此处实际上就是以纸带移动的位移来表示沙摆摆动的时间,因为由于公式s=vt,当v(拉动作匀速直线运动的速度)为定值,则s与t就是一个简单的正比关系,因此s的变化可以反映t的变化.

实验设计的第二步:沙摆作简谐运动,拉动纸做匀速直线运动(可以用电动机拉动),得到沙子在纸上的图象之后,在纸上建立坐标轴.此时学生便会利用视觉对上述三个猜想进初步的证明,并否定猜想一和猜想二.在此基础上,可进行实测验证.

自从伽利略将实验引入科学研究以来,实验的地位是举足轻重的,在科学探究中研究实验设计,尤其是基于学生实际,瞄准教学需要进行实验设计的思路更是必须的,以上所述为笔者的一点浅见,希望得到高中物理同行的批评指正。

作者：陈建新 单位：启东市汇龙中学 江苏启东