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【摘要】 在探究弹簧弹力与形变量关系的实验中，传统方法需要耗费大量时间对数据进行测量并记录，然后进行相应的画图和数据处理，难以激发学生学习积极性。针对已有方法的不足，对其进行改进创新，改进后的实验不仅成本低廉、操作简便，还能节省数据记录处理时间，使得学生更加专注实验原理，提升实验教学效果，加深理解胡克定律的内涵。
【关键词】 普通高中 物理 胡克定律 探究实验
【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2019）22-140-02
一、引言
物理是自然科学领域的一门基础性学科，旨在研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确提出：“高中物理旨在落实立德树人的根本任务，进一步提升学生的物理核心素养，为学生的终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承与社会的发展。”与社会科学类学科不同，物理学中存在众多的抽象概念及繁杂的数学公式，需基于大量的实验观察，通过数学等工具，构建物理模型，经推理论证进而形成理论体系。通过实验则可以化抽象为具体，形象的展示物理现象的变化规律，同时锻炼学生的动手实践能力，激发学习兴趣。在实验探究过程中，掌握科学研究方法，形成良好的思维习惯，因此实验操作已成为中学物理教学不可或缺的重要组成部分。理论教学过程中，通过实验演示化抽象为具体，透过实验变化，引导学生发现问题，形成更为直观的物理概念，进而利用物理规律解决问题。
人教版《普通高中课程标准实验教科书·物理（必修）》中，第三章“相互作用”的第二节主要内容为“胡克定律”，并通过实验探究弹簧弹力与弹簧形变量之间的关系，对于后续理解弹力、重力等力学概念，掌握力的相互作用具有重要作用。
二、实验现状
在传统的物理教学中，一般多是通过弹簧悬置的方法进行测量，如图1所示，弹簧一端固定于铁架横梁之上，另一端则连接砝码，因重力缘故使得弹簧产生形变，最后通过直尺测量弹簧伸长量。
然而该测量装置中弹簧会因为自身重力影响产生些许形变，有可能会导致最后绘制的弹簧弹力与伸长量之间的曲线偏离原点。此外，通过直尺在进行伸长量测量时，由于缺少固定支点，数据采集的误差相对较大。
针对上述测量方法的不足，新版教材将弹簧由垂直悬挂改为水平放置，从而避免重力带来的形变影响。在测量过程中，仍需要对结果进行同步记录，简单重复性工作耗时较多，容易占用课堂教学时间，难以激发学生的学习兴趣，影响实验效果。文献对其进行了改进，将弹簧一端固定，另一端则通过细绳跨过4个定滑轮与砝码连接，通过竖直轻杆的移动来表征弹簧伸长量，并可直接在复印胶片上描点，从而节省实验时间。然而该方案，需要的耗材配件较多，且竖直轻杆容易与细绳之间产生摩擦接触，当轻杆较长时，自身重力随之增大，也会影响实验效果。
三、实验改进
按照普通高中物理必修课程要求，“探究弹簧弹力和形变量的关系”属于必做实验，若是教师在教学过程中仅仅局限于课本理论知识点，容易忽视对学生物理核心素养的培养，对于弹簧弹力的定量化关系难以形成直观感知。教师可根据课堂需要适当创设情境，对已有的实验方案进行探究改进，从而进一步了解胡克定律。
针对上述实验方案的不足，设计了如下改进方案，如图所示，弹簧水平固定在立板的顶部，另一端通过细绳与定滑轮连接，细绳的末端则与砝码勾和轻薄指针相连。当砝码勾挂上砝码后，弹簧将会产生形变，进而带动细针下降，即可在纸上描点。
实验探究过程如下：
a）实验开始前，移动立板上的纸张，确保轻薄指针中心点与坐标原点重合，且指针与水平坐标轴重合。
b）将砝码挂在砝码勾上，此时弹簧会发生形变，指针随之下降，水平移动纸张，使得指针与邻近第一根虚线垂直相交，并进行描点。
c）逐步增加砝码，并重复步骤b）。最后对纸张上的描点进行连线并拟合，即可得到弹簧弹力和形变量之间的关系，如下图所示。
值得注意的是，在本次实验中使用的砝码为50g，设重力常数g=9.8N/Kg，那么此时纵坐标上1个单位的弹力应为0.49N，依据弹簧形变伸长量可计算得到该弹簧的劲度系数为13.1N/m。
为了增加实验的对比性，可更换弹簧重新进行实验，可前后使用同一张纸张，从而分析得到不同弹簧的劲度系数差异。
四、结束语
在物理日常实验教学过程中，通过创设情境，对实验进行改进，以此激励学生的探究兴趣，进而培养学生的物理核心素养和创新能力。与传统实验方案相比，在节省实验耗材的情况下，不仅可以减少实验数据记录和处理的工作量，还可以引导学生独立思考，积极参与实验探究过程，锻炼动手实践能力。
备注：本文系佛山市顺德区教育科学“十三五”规划课题“基于发展物理核心素养的高中力学实验教学研究”（课题批准号：SDGH2017053）的阶段性成果。
[ 参 考 文 献 ]
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2]王驰明，王芳.胡克定律探究实验的二次改进[J].中小学实验与装备，2018，28（05）：50-52.
[3]景行行止.高中物理教学胡克定律实验改進[J].课程教育研究，2018（40）.
[4]周庭艳，吴波.高中物理新旧教材胡克定律演示实验的分析与改进[J].遵义师范学院学报，2015，17（6）：140-141.
[5]罗微，代伟，马兰.胡克定律探究实验装置的改进[J].物理实验，2015（3）：18-20.
[6]王驰明，王芳.基于教材实验方案的改进与创新——胡克定律的实验研究[J].物理教师，2019，40（01）：64-66.
【关键词】 普通高中 物理 胡克定律 探究实验
【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2019）22-140-02
一、引言
物理是自然科学领域的一门基础性学科，旨在研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确提出：“高中物理旨在落实立德树人的根本任务，进一步提升学生的物理核心素养，为学生的终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承与社会的发展。”与社会科学类学科不同，物理学中存在众多的抽象概念及繁杂的数学公式，需基于大量的实验观察，通过数学等工具，构建物理模型，经推理论证进而形成理论体系。通过实验则可以化抽象为具体，形象的展示物理现象的变化规律，同时锻炼学生的动手实践能力，激发学习兴趣。在实验探究过程中，掌握科学研究方法，形成良好的思维习惯，因此实验操作已成为中学物理教学不可或缺的重要组成部分。理论教学过程中，通过实验演示化抽象为具体，透过实验变化，引导学生发现问题，形成更为直观的物理概念，进而利用物理规律解决问题。
人教版《普通高中课程标准实验教科书·物理（必修）》中，第三章“相互作用”的第二节主要内容为“胡克定律”，并通过实验探究弹簧弹力与弹簧形变量之间的关系，对于后续理解弹力、重力等力学概念，掌握力的相互作用具有重要作用。
二、实验现状
在传统的物理教学中，一般多是通过弹簧悬置的方法进行测量，如图1所示，弹簧一端固定于铁架横梁之上，另一端则连接砝码，因重力缘故使得弹簧产生形变，最后通过直尺测量弹簧伸长量。
然而该测量装置中弹簧会因为自身重力影响产生些许形变，有可能会导致最后绘制的弹簧弹力与伸长量之间的曲线偏离原点。此外，通过直尺在进行伸长量测量时，由于缺少固定支点，数据采集的误差相对较大。
针对上述测量方法的不足，新版教材将弹簧由垂直悬挂改为水平放置，从而避免重力带来的形变影响。在测量过程中，仍需要对结果进行同步记录，简单重复性工作耗时较多，容易占用课堂教学时间，难以激发学生的学习兴趣，影响实验效果。文献对其进行了改进，将弹簧一端固定，另一端则通过细绳跨过4个定滑轮与砝码连接，通过竖直轻杆的移动来表征弹簧伸长量，并可直接在复印胶片上描点，从而节省实验时间。然而该方案，需要的耗材配件较多，且竖直轻杆容易与细绳之间产生摩擦接触，当轻杆较长时，自身重力随之增大，也会影响实验效果。
三、实验改进
按照普通高中物理必修课程要求，“探究弹簧弹力和形变量的关系”属于必做实验，若是教师在教学过程中仅仅局限于课本理论知识点，容易忽视对学生物理核心素养的培养，对于弹簧弹力的定量化关系难以形成直观感知。教师可根据课堂需要适当创设情境，对已有的实验方案进行探究改进，从而进一步了解胡克定律。
针对上述实验方案的不足，设计了如下改进方案，如图所示，弹簧水平固定在立板的顶部，另一端通过细绳与定滑轮连接，细绳的末端则与砝码勾和轻薄指针相连。当砝码勾挂上砝码后，弹簧将会产生形变，进而带动细针下降，即可在纸上描点。
实验探究过程如下：
a）实验开始前，移动立板上的纸张，确保轻薄指针中心点与坐标原点重合，且指针与水平坐标轴重合。
b）将砝码挂在砝码勾上，此时弹簧会发生形变，指针随之下降，水平移动纸张，使得指针与邻近第一根虚线垂直相交，并进行描点。
c）逐步增加砝码，并重复步骤b）。最后对纸张上的描点进行连线并拟合，即可得到弹簧弹力和形变量之间的关系，如下图所示。
值得注意的是，在本次实验中使用的砝码为50g，设重力常数g=9.8N/Kg，那么此时纵坐标上1个单位的弹力应为0.49N，依据弹簧形变伸长量可计算得到该弹簧的劲度系数为13.1N/m。
为了增加实验的对比性，可更换弹簧重新进行实验，可前后使用同一张纸张，从而分析得到不同弹簧的劲度系数差异。
四、结束语
在物理日常实验教学过程中，通过创设情境，对实验进行改进，以此激励学生的探究兴趣，进而培养学生的物理核心素养和创新能力。与传统实验方案相比，在节省实验耗材的情况下，不仅可以减少实验数据记录和处理的工作量，还可以引导学生独立思考，积极参与实验探究过程，锻炼动手实践能力。
备注：本文系佛山市顺德区教育科学“十三五”规划课题“基于发展物理核心素养的高中力学实验教学研究”（课题批准号：SDGH2017053）的阶段性成果。
[ 参 考 文 献 ]
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2]王驰明，王芳.胡克定律探究实验的二次改进[J].中小学实验与装备，2018，28（05）：50-52.
[3]景行行止.高中物理教学胡克定律实验改進[J].课程教育研究，2018（40）.
[4]周庭艳，吴波.高中物理新旧教材胡克定律演示实验的分析与改进[J].遵义师范学院学报，2015，17（6）：140-141.
[5]罗微，代伟，马兰.胡克定律探究实验装置的改进[J].物理实验，2015（3）：18-20.
[6]王驰明，王芳.基于教材实验方案的改进与创新——胡克定律的实验研究[J].物理教师，2019，40（01）：64-66.