对“探究动能与质量关系实验”的商榷

莫 滨

(南京市第十八中学，江苏 南京 210022)

1 引 言

影响动能大小的因素，在初中教材中是比较难以处理的知识点. 主要表现在探究动能与质量的关系时，如何控制速度相同. 就所能检索到的各版本教材而言，处理方法不尽相同. 其中某些版本教材设计了探究实验，但是其实验反而不利于教学，因此有必要做进一步讨论.

2 现有教材呈现方式

华东师范大学版科学教材、沪教版、教科版物理教材没有涉及科学探究的过程，均是通过举例来阐述，如表1所示. 其余各版本教材均采用控制变量法探究了动能与质量的关系，相关步骤列表对比如下，如表2所示.

表1 部分版本教材关于动能与质量关系的理论描述

表2 部分版本物理教材探究动能与质量关系的实验步骤

续表

3 实验设计的缺陷分析

从表2中可知，大多数是采用球体从斜面上滚下，撞击下部平面上木块. 上述一系列实验步骤，总体上存在一些值得商榷之处.

3.1 运动路线大多不可控

大部分教材中的实验可操作性较差，缺陷颇多：小球滚下时运动路线不可预设，不能确保正好撞击木块，甚至于有可能在斜面部分就已经滚离木板. 有学者为了克服这些缺陷，采用凹槽来限制运动轨迹[2-3]. 苏科版教材的方法，采用的是让小车沿斜面向下作直线运动，经过实验发现，适当调试可确保小车正中撞击木块. 可以认为，苏科版教材实验处理比较科学.

3.2 木块位移大多不可测

实验中用小球撞击木块后，由于不能保证球撞击木块时产生的力，正好通过木块的质心而只是向前平移，所以木块可能还会在水平面上有转动. 这样球体撞击木块后，木块偏向斜前方，小球滚向另一边. 木块偏离后，移动距离无法测量，实验失败. 为此，北师大版教材采用小盒正对斜面的一面开口，小球可滚入盒内，这样可以避免小球滚向一边. 这方面，苏科版教材的方法最好，小车与木块接触面较大，基本上可以保证木块被撞击后只作平移，便于比较前进路程大小.

3.3 下降相同高度难保证

如何控制球体下降高度Δh相同，各版本大多存在问题. 北师大版和粤沪版采用不同质量小球，但是没有说明其体积是否相等. 若相等Δh很好控制，若不相等则问题复杂了. 体积不同的球体，相同高度如何理解？是质心高度h相同？还是质心下降高度Δh相同？正确的理解应该是质心下降高度Δh相同，但是又陷入新的困境：1)质心是高中内容，初中生无法理解. 2)为了确保Δh相同，应该在实验时，先放置一个物体，用于定位不同小球起始位置. 图1所示是正确方法，水平放置的物体AB承担球体重力，球易在物体AB上随机滚动，这时球和斜面之间无作用力. 人为控制移走AB，很难保证球体就是从此位置以v0=0开始加速. 实际实验时通常采用的是图2所示方法来定位. 球体半径越小，球的最下部的位置越低，小球下降到斜面底端时下降高度Δh也越小. 若看作质点，则球体就在A点，Δh最小. 这种做法未能成功控制小球处于相同高度.

图1 定位相同高度的正确方法

图2 通常定位相同高度的错误方法

人教版实验册采用的是“体积相同的铁球、塑料球”. 理论上没有缺陷，但是实际上要教师找到符合条件的铁球、塑料球实属不易.

沪科版教材中，木球、铁球质量要求没有说明，木球在现实生活中不好找，找到体积一样的木球、铁球更不易，这陷入北师大版和粤沪版同样的困境.

苏科版采用的方法最简洁可行. 小车上加配重即可改变质量，将配重固定即可保证质心下降高度Δh相同. 由于小车加了配重，质心位置一般会改变，当小车从斜面过渡到平面时，质心再次下降的高度一般不同，需要根据质心位置、斜面倾斜角度等具体数据才能分析，一般不再考虑.

依笔者观点，建议将上述小球、小车改为测量固体密度常用的圆柱体. 圆柱体组形状相同，可保证质心高度、质心下降高度Δh均相同. 圆柱体材料不同，可满足质量不同的要求. 圆柱体运动路线容易调整，可避免出现中途偏离的情况，同时撞击木块时，也比较容易控制木块的平移.

3.4 相同速度难解释

有的教师采用口头再三强调的方法来灌输：高度相同目的是保证速度相同. 有的教师采用多媒体视频拍摄，然后慢镜头回放，但是在课堂上当堂完成不现实，事先录制、编辑又缺乏可信度.

上述诸版本教材的思路均为：从2个相同的斜面的同一高度同时释放2个质量不等的小球，到达底面的速度相等. 为此笔者进行了验证：准备了2个不同材料的体积相同的圆柱体，在同一斜面上相同的高度，同时释放，有时可以观察到圆柱体到达底部的时间相差不大，近似认为速度相等. 但是还是会出现时间相差大、滚偏等失败情况. 换成不同的斜面，尽管努力去保证材料相同，成功率还是很低. 降低起始高度，到达底面时的速度减小，可以提高成功率. 但是推动木块前进的距离、两木块距离差均减小，教室后排学生观察不清楚. 将上述不同的圆柱体改为质量不等的小车，实验结果同上.

据此认为，由于实验的条件所限，无法达到理想状况，不能保证实验一次成功. 为纠正滚偏多次调试，学生尚可接受，但为同时到达底部而多次尝试，会被学生理解为一种侥幸行为. 归根到底，此困难还是在于知识脱节，脱离了理论支撑.

倘若坚持要探究动能与质量的关系，笔者可以提供一种简便的方法. 将2个质量不同的圆柱体(小车亦可)并排放置在平整的桌面上，用课本的书脊推动2个圆柱体并排前进，课本适时停止推动，圆柱体就以相同速度前进，撞击木块.

3.5 结论

针对上述一系列缺陷，依笔者的观点，还是采用表1所列教材的方法为佳，只告诉学生结论，不涉及具体探究过程. 若非要探究，采用小车或者是圆柱体组，可以有效避免上述3.1～3.3所列举的缺陷. 采用并排推动小车、圆柱体组的方法，可避免上述3.4所列举的缺陷. 至于为何由相同高度可得到相同速度，初中阶段实在是无能为力.

4 结束语

依笔者观点，应该从源头抓起，教材应该避免错误，否则教师是不敢擅自改进的. 教师只能基于现状，关于高度对速度的的影响，干脆明确告诉学生，由于初中学生知识水平所限，目前无法从理论上来证明；由于初中器材的局限性，无法从实验中精确测定，目前只需记住结论即可.

参考文献：

[1] 黎蓉． 学习与评价·物理实验九年级(上)·配人教版课程标准本[M]． 南京：江苏科学技术出版社，2003：56-57．

[2] 刘俊英． “影响动能大小因素”与“动能与弹性势能之间的转化”探究实验的改进[J]． 中国现代教育装备，2012(20)：28-30．

[3] 刘炳昇． 中学理科实验教学指导——初中物理分册[M]． 南京：江苏科学技术出版社，2012：214-215．