物理力学实验数据获取与受力分析处理探究

【摘要】 新课程改革大力倡导在各科中培养学生的科学素养，是物理课程改革的一个根本目标。而有效落实这一目标的关键，是积极主动地开展科学探究活动。实验是物理课程改革的重要环节，是落实物理课程目标、全面提高学生素养的重要途径，也是物理课程改革的重要资源。因此，对于实验数据的获取与分析处理显得非常重要。本文从研究的背景和意义谈起，阐述中等职业学校力学实验数据的获取与分析处理步骤。

【关键词】 中职物理力学 实验数据获取 分析处理 整体法 隔离法

【中图分类号】 G712 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2016）01-033-020

1.研究的背景和意义

1.1物理课程改革的理念

物理课程改革的核心理念是通过突出科学探究来提高学生的科学素养。科学探究是新一轮物理课程改革的突破口，中等职业学校物理课程标准中明确指出：在课程目标上，过程与方法作为三维目标之一单独列出，要求学生经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律；在课程内容上，将科学探究列入内容标准，根据科学探究的七个要素，对科学探究能力提出具体要求。

1.2物理学科的特点

物理学是一门以实验为基础的科学，实验不仅是一种验证性的实践活动，更是一种探究性的实践活动。探究性实验作为一种重要的实验形式，同时也是科学探究的一种有效方式。探究性实验能更充分地体现学生学习的主动性、探索性和创造性，探究性物理实验可以在物理实验教学中发挥重要作用。因此实验数据的获得和对实验数据处理就显得特别重要。

1.3物理实验教学的现状

长期以来，传统的物理实验教学存在着三种倾向：其一、表现为重理论轻动手；其二、表现为只动手不动脑；其三、表现为验证多探究少。因此，基于对中等职业学校物理课程改革理念、物理学科特点以及物理实验教学现状的认识，要促进学生科学素养的全面提高，我们要用科学探究思想指导物理实验教学改革，大力开展探究性物理实验的教学，从而充分发挥物理实验的科学探究功能，培养学生的科学探究能力，用科学的教学思想培养学生获得实验数据和对实验数据处理的能力，进一步改进物理实验教学的效果。

2.研究内容和实施步骤

2.1中等职业学校学生对实验数据的获得和对实验数据处理能力现状调查

2014年以来，我们对新一年级学生进行学生生源情况调查，调查结果发现：新生90%左右是农村人口，70%左右是边远黄河滩区和偏远特困区农家子弟。同时进行新生入学摸底考试和问卷调查，结果物理科平均成绩不到30分（满分100分），及格人数不到10%。问卷调查表明，新生的学习习惯不良，缺乏自主学习，与人沟通、合作交流、科学创新的能力，很大一部分同学初中三年都没亲手做过一次物理实验，对基本物理实验仪器的规范操作和使用，对如何有效地获取并优化处理实验数据的手段和方法知道甚少。

2.2物理实验数据的获得和对实验数据处理的实施途径

（1）课堂教学中实施。

（2）课外活动中实施。

（3）实验课上实施。

2.3常见实验数据的获得方法

2.3.1利用测量工具直接测量的基本物理量模块

基本物理量测量仪器力学长度刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器时间秒表（停表）、打点计时器质量（力）天平（弹簧秤）

2.3.2常见间接测量的物理量及其测量方法

有些物理量不能由测量仪器直接测量，这时可利用待测量和直接测量的基本物理量之间的关系，将待测物理量的测量转化为基本物理量的测量。

模块待测物理量基本测量方法

力学速度？利用纸带，vm=Sx+Sx+12T；%利用平抛，v=xg2y加速度？利用纸带，逐差法a=&ST2；%利用单摆g=4N2LT2功根据W=&Ex转化为测量m、v3

2.4常用实验误差的控制方法

为了减小由于实验数据而引起的偶然误差，常需要采用以下方法控制实验误差。

（1）多次测量求平均值

这是所有实验必须采取的办法，也是做实验应具有的基本思想。

（2）累积法

一些小量直接测量误差较大，可以累积起来测量，以减小误差。用单摆测定重力加速度 的实验中，为了减小周期的测量误差，不是测量完成一次全振动的时间，而是测量完成30～50次全振动的时间。

2.5常用实验数据的处理方法

实验中测得的数据需要很好地记录、表示、分析、计算，然后从中得到实验结论，找出实验规律，这一过程称为实验数据处理。物理实验数据处理的方法一般有列表法、公式法（逐差法）、平均值法、图象法（化曲为直法、图象外推法、图象面积法）、计算机辅助处理数据。

（1）列表法

在记录和处理数据时，常将数据列成表格。数据列表可以简单而又明确的表示出有关物理量之间的关系，有助于找出物理量之间的规律性的联系。列表的要求是 写明表的标题或加上必要的说明；%必须交待清楚表中各符号所表示的物理量的意义，并写明单位； 表中的数据要正确反映测量结果的有效数字。

（2）逐差法

这就是用打点计时器打出的纸带计算加速度时用到的方法，这种方法充分利用了测量数据，具有较好的取平均的效果。

（3）平均值法

将测定的若干组数相加求和，然后除以测量次数。必须注意，求取平均值时应该按原来测量仪器的准确度决定保留的位数。

（4）作图法

用作图法处理实验数据是物理实验中最常用方法之一。用作图法处理数据的优点是直观、简便，有取平均的效果，由图线的斜率、截距、所包围面积和图线的交点等可以研究物理量之间的变化及其关系，找出规律。作图的规则是： 作图一定要用坐标纸.坐标纸的大小要根据测量数据有效数字的多少和结果的需要来定；%要标明坐标轴名、单位，在轴上每隔一定相等的间距按有效数字位数标明数值； 图上连线要是光滑曲线（或直线），连线时不一定要通过所有的数据点，而是要使数据点在线的两侧合理的分布；（在图上求直线的斜率时，要选取线上相距较远的两点，不一定要取原来的数据点；）作图时常设法使图线线性化，即化曲为直。

（5）计算机辅助处理数据

当今，信息技术在中等职业学校物理学科中应用日益广泛，学生的信息技术水平日益提高。利用计算机记录数据、处理数据，利用计算机进行数据的图象处理，已经为广大的师生所接受。计算机辅助处理数据是信息技术和物理学科整合的一个重要方面。

（6）有关误差分析的问题

要求认识误差问题在实验中的重要性，了解误差的概念，知道系统误差和偶然误差；知道用多次测量求平均值的方法减小偶然误差；能在某些实验中分析误差的主要来源；不要求计算误差。

3.学生对实验数据的获得和对实验数据处理能力培养途径探究

（1）变演示实验为师生共同完成实验，给学生创造更多的自主动手的机会。

（2）变学生实验为学生自主动手设计实验，培养学生的创新能力。

（3）通过实验专题讲座，拓宽学生思维，规范实验设计程序。

（4）开展课外活动，让学生自己动手进行课外小实验的活动，让每个学生都自己设计一些课外小实验，并亲自动手。

4.学生受力分析处理探究

学生在解决力学问题时，往往采用隔离法或整体法。整体法是从局部到全局的思维过程，是系统论中的整体原理在力学中的应用。通常在分析这一整体对象之外的物体对整体的作用力（外力），不考虑整体内部之间的相互作用力（内力）时，用整体法。隔离法就是把要分析的物体从相关的物体体系中隔离出来，作为研究对象，只分析该研究对象以外的物体对该对象的作用力，不考虑研究对象对其他物体的作用力。在分析系统内各物体（或一个物体的各个部分）间的相互作用时用隔离法。

4.1系统处于平衡状态

整体都处于静止状态或一起匀速运动时，或者系统内一部分处于静止状态，另一部分匀速运动。以上这些情况，整体都平衡，整体内每个物体所受合力为零，整体所受合力也为零。这样，根据整体的平衡条件，就可以确定整体或某一个物体的受力特点。

例1：在粗糙水平面上有一个三角形木块abc，在它的两个粗糙斜面上分别放两个质量m1和m2和木块，m1>m2，如图所示，已知三角形木块和两物体都是静止的，则粗糙水平面对三角形木块（ ）。A.有摩擦力的作用，摩擦力的方向水平向右；B.有摩擦力的作用，摩擦力的方向水平向左；C.有摩擦力的作用，但摩擦力的方向不能确定，因为m1，m2，θ1，θ2的数值并未给出；D.以上说法都不对。解析：这样类型的问题优先选用整体法，根据整体受力平衡，则很容易判断水平面对三角形木块摩擦力为零，且弹力等于整体的重力之和，所以D正确。

例2：质量m=5Kg的物体置于质量为M=20Kg的粗糙斜面上，斜面的倾角α=370.用一平行于斜面向上、大小为40N的力F推物体，使物体沿斜面M向上作匀速运动，这时M保持静止状态（g=10m/s）。则地面对斜面的摩擦力大小为 N，斜面对地的压力大小为 N.

解析：这种类型通常习惯利用隔离法分析，先分析物块，在对斜面体进行分析，过程比较复杂。如果利用整体法会比较简单，因为整体都处于平衡状态，所以合力为零。根据整体水平方向平衡，可以得到地面对斜面体的摩擦力f=Fcosα=32（N），根据整体竖直方向平衡，得到地面对斜面的支持力N=（M+m）g-Fsinα=226（N）。

4.2系统处于不平衡状态且无相对运动

由于系统内物体间没有相对运动，即整体内每个物体都具有相同的速度和加速度，这时整体所受的合力提供整体运动的加速度。这种情况利用整体法，更容易把握整体的受力情况和整体的运动特点。

例3：光滑水平面上，放一倾角为θ的光滑斜木块，质量为m的光滑物体放在斜面上，如图所示，现对斜面施加力F，若使M与m保持相对静止，F应为多大？

解析：由于斜面光滑，物块只受重力和斜面的弹力，而且和斜面一起运动，则先隔离物块分析受力，计算出加速度a=gtan，方向水平向左，再根据整体法可以求得F=（M+m）gtan.

这是典型整体法与隔离法的综合应用（先隔离后整体）。

4.3系统内部分平衡部分不平衡

这种情况由于系统内物体的运动状态不同，物体间有相对运动，通常习惯用隔离法。若系统内两个物体一个处于平衡，另一个处于不平衡状态时，也可以利用整体法来分析，有时会使问题简化易于理解。

例4：若例3中使M静止不动，F应为多大？

解析：这就是非常典型的系统内部分平衡部分不平衡的问题，物块在光滑的斜面上沿斜面加速下滑，处于不平衡状态，而斜面体在光滑的水平面上由于外力F作用而保持静止不动，及平衡状态。这种类型许多学生都习惯用隔离法分别对物块分析，从而计算出物块和斜面之间的弹力，然后再分析斜面，根据斜面的平衡来确定外力F的大小。

这种类型如果利用整体法来分析要简单得多，这里整体所受的合力就等于处于不平衡的物块所受的合力。当然，这里首先要根据物块受力明确物块的加速度，方向沿斜面向下。

整体受力为：重力（M+m）g、地面的支持力N和外力F

用正交分解法，将加速度分解为水平方向ax=acos=gsincos；竖直方向ay=asin=gsin2，

再根据牛顿第二定律得到：F=max=mgsincos=mgsin2，（M+m）g-N=may=mgsin2

这种方法很显然要比分别隔离来计算要简单方便。

综上所述，在分析多个物体相互作用时，灵活运用整体法和隔离法对问题解决将会带来很大的方便。特别是在教学过程中有意识地培养学生整体法的思维意识，帮助学生能够更加全面地理解力和运动的相互关系，更加有利于学生思维能力的提升。

基金项目：2015年河南省职业教育教学改革立项项目“河南职业院校教师育人能力提升问题研究”（立项号：ZJB15126）阶段性成果。主持人：王凤珍

[ 参 考 文 献 ]

[1]梁昆淼.力学，上册（修订版）.高等教学出版社，1978，12修订第2版，64.

[2]漆安慎杜婵英.力学，高等教育出版社.1997，7，1版，222.

[3]中国大百科全书，物理学，Ⅱ.中国大百科全书出版社，1987，7，1版，1236.

[4][英]伊萨克·牛顿.自然哲学之数学原理.陕西人民出版社.2001，1，1版，18.

[5]马英卓：用惯性力学三定律解力学习题。《当代物理世界—物理论文集》网站.