物理探究实验如何科学实施

摘 要：关于“滑动摩擦力大小与物体间接触面积是否有关”和“浮力大小与物体浸入液体的深度是否有关”的讨论一直没有停止，笔者站在科学思维的本质角度深入分析其中问题复杂的原因所在，提出了运用“控制变量法”进行科学探究时必须对物理量实行“分层级”管理的实施策略，教师到位而不越位的引导起到重要的作用，也是取得好的教学成效的关键.

关键词：科学思维本质;控制变量;分层级变量;科学探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）04-0030-04

作者简介：刘信生（1971-），男，安徽合肥人，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理教育教学、创新实验研究.

1 问题的提出

最近，物理微信群里的教师讨论最多的问题是：“滑动摩擦力大小与物体间的接触面积是否有关”“浮力与物体浸入液体深度是否有关”.有些老师说这些都是伪命题，依此设计出的实验探究就是伪探究.笔者查看文献发现，专家们也提出了许多不同的见解，而且设计出一些具体的实验探究加以论证，有些专家之间观点竟然是相左的，让一线教师感觉无所适从，对物理实验探究中学生的猜想和假设的科学性、有无设计实验的价值感到有些迷茫.笔者对这些问题有自己的想法，愿与大家讨论.

2 有关背景研究综述，指出实验探究的疑点

2.1 滑动摩擦力大小与物体间接触面积是否有关争论的产生

郑青岳[1]老师在探究“绕绳问题”过程中发现可以增大绳子与缠绕物之间的接触面积，摩擦力也增大了，但是他提出：这个实验为“摩擦力随接触面积的增大而增大”的观点提供了伪证.曹则贤[2]老师对这个问题却提出相反的观点：摩擦力是一种电磁相互作用，摩擦力来自粗糙表面之间微结构的咬合，这种均匀的咬合产生的摩擦力（滑动摩擦力）一定和接触面积成正比.针对这两种观点笔者比较赞成后者，即当物体间产生压强相同时（挤压程度相同时），滑动摩擦力大小与接触面积有关[3].

2.2 浮力与物体浸入液体深度是否有关的争论的产生

初中物理中探究浮力大小与哪些因素有关的实验本身并不难，但是对于是否与深度这一因素有关的讨论一直没有停止.罗国忠[4]老师对浮力与深度的关系的探究实验的看法是：浮力与深度只是部分相关，而浮力与浸入体积（V排）完全相关.胡广形和徐德友[5] 老师在探究完物体部分浸入和全部浸没实验后旗帜鲜明地指出“浮力与深度无关”的结论.季卫新[6]老师认为“深度”不是 “控制变量法”探究浮力真正的“影响因素（变量）”，“V排”才是真正的“影响因素（变量）”，所以“浮力与深度是否有关”是伪命题.

3 从探究滑动摩擦力实验找到科学思维的本质，关注问题讨论的焦点

通过以上两个典型探究实验案例的溯源，笔者认为必须要解决什么是实验探究，什么是科学实验探究;科学实验探究的基本方法“控制变量法”，是初中物理实验探究的科学思维之灵魂，是学生遨游未知物理世界的指南针.这里的变量如何去科学地界定，变量之间都是并列关系还是从属关系，有无分层级进行探究的可能，都是大家值得思考的问题.

所谓“控制变量法”就是当一个物理量P与多个因素（变量）Y1、Y2、……Yn有关，为了探究P与其中任一个因素（变量）Yn的关系，其他因素（变量）控制不变.实质是把多因素变为单因素，且每次只改变一个变量是其最大的特征.对于探究滑动摩擦力的问题，笔者采用几何证明题的思维推导方式——逆向思维分析法.初高中教材探究滑动摩擦力大小与物体间压力和接触面粗糙程度是否有关的实验完全按照“控制变量法”的思维方法进行设计实验并进行探究完成：（1）控制物体间接触面粗糙程度不变，探究滑动摩擦力大小与物体间压力的关系.（2）控制物体间压力大小不变，探究滑动摩擦力大小与物体间接触面粗糙程度的关系.笔者认为由滑动摩擦力公式f=μN得出滑动摩擦力大小与物体间的接触面的粗糙程度和物体间的压力（μ、N）有关，这是一级变量;根据压力等于压强乘以受力面积的关系，得出物体间的压力N=F=pS，f=μN=μpS，压力大小与二个量有关（p、S），可以认为这是一级变量的下一级，称为二级变量（如图1所示）.

为了探究滑动摩擦力大小与物体间的接触面积到底是否有关，笔者的实验设计理念是：物体间的接触面积S是在滑动摩擦力一级变量压力（N）的下一级，地位是二级变量，二级变量中的其余各量必须控制不变，另外除了与之对应的一级变量（压力）外，其余的一级变量μ（物体间粗糙程度）也必须保持不变，这样的探究才符合科学思维的规律性.即采用控制物体间接触面的粗糙程度和物体间的压强不变，探究物体间滑动摩擦力与接触面积是否有关.

笔者根据学生提出的一个有关滑动摩擦力的现象：学生在平时使用抽杆式透明书皮文件夹收集試卷过程中发现在平时使用抽杆夹（或拉杆夹书皮）时，为了夹住A4纸质文件，将抽杆抽上书皮的过程中，手用的力越来越大;抽下抽杆过程中，手开始用力最大，然后手感觉用力越来越小，这是什么原因？下面我们对实验进行改进，实施定量的探究.

器具的制作：

选 60cm×45cm的免漆木工板两块，重叠放置，用台钻在其四个角边缘打上直径2mm的孔，分别用 4根8cm长的螺钉穿孔，在螺钉上旋好螺母，将3套抽杆式透明书皮文件夹内分别夹住20张整齐的A4复印纸，然后将3套文件夹由高到低整体插入免漆板之间，最多露出板外约5cm，用螺丝刀分别拧紧螺母夹紧书皮夹.此时用烧红的细铁丝分别将文件夹的抽杆一端的背部打一小孔，再各自穿上等长棉线（方便测力计拉动）打上结， 最后用“F型快速夹紧器”将整个装置固定在水平桌面上（如图2所示）.

实验步骤如下：

（1） 用量程为0-50N弹簧测力计，将系有细线的一根抽杆从透明书皮右端拉入后直至左端拉离，观察测力计的示数最大值及变化情况.

（2）用弹簧测力计，将系有细线的两根抽杆从透明书皮右端拉入后直至左端拉离，观察测力计的示数最大值及变化情况.

（3）用弹簧测力计，将系有细线的三根抽杆从透明书皮右端拉入后直至左端拉离，观察测力计的示数最大值及变化情况.

（4）比较各力的大小，得出实验结论.

学生收集整理数据，发现每个步骤中抽杆从抽上书皮至抽出书皮的整个过程中，摩擦力是先增大（抽杆与书皮完全重合时最大）后减小，抽出的抽杆数越多，摩擦力越大.分析其中的原因是由于抽杆在整个过程中与书皮的接触面积发生了变化，且变化的趋势和测力计示数变化一致（如图3所示：横轴L为抽杆从右向左移动的距离）.因此得出结论：滑动摩擦力大小与接触面积有关，接触面积越大，滑动摩擦力也越大.

由二力平衡原理得测力计的拉力和滑动摩擦力大小相等.学生站起来总结：“实验中文件夹的书皮之间的厚度一定，抽杆和书皮间的压强p不变，由F=pS可知，书皮受挤压的接触面积发生变化，压力也发生变化，所以通过改变物体间接触面积实现改变物体间的压力大小.”由此得出：物体间压强一定时，物体间接触面积越大，拉力越大，滑动摩擦力也越大.

综上所述，基于传统實验基础上另辟蹊径，从另一个视角加以分析得出物体间滑动摩擦力大小与物体间接触面积有关的结论.并且学生说出生活中也有许多类似的应用，例如学生通过母亲在家里阳台上晒被子用的防风夹的使用过程产生了灵感，又另外追加了一个创新实验：在固定不锈钢管上匀速拉动套有晒被专用弧形夹实验（如图4所示）.发现弧形夹数目越多，测力计的拉力越大，滑动摩擦力也越大.学生大胆提出质疑，进行实验、收集证据，提出挑战权威的实验结论[4].

点评： 通过“控制变量法”这种科学实验的基本方法以及分层级控制物理量的理念，可以指导学生基于猜想和假设设计实验、实验探究、得出科学结论.

4 运用科学思维模式设计探究浮力与深度实验，找到思维的落脚点

沪科版和沪粤版教材中针对浮力大小与深度的关系都有意思相同的描述：“全部浸没在同种液体中的物体所受浮力则跟物体浸入液体中的深度无关”，笔者觉得教材这样处理非常合理，让学生在探究浮力实验中留下更加广阔的思维空间.那么，当物体部分浸入时浮力到底与深度是否有关呢？目前，教师的说法都很不明朗，有不值得去探究的论断.试想，我们所面对的是成长中的初中生，当有学生这样描述他在游泳时的感受：在走向游泳池的时候，越往深处走动，感觉自己身体越轻，最后有飘起来的感觉.我觉得浮力与深度有关.这时候，我们老师直接告诉他这是一个错误的猜想，这样对他的打击太大.我们可以根据控制变量法设计思想，引导学生思考需要控制哪些物理量保持不变，需要改变和测量的物理量，然后设计实验、选取器材、进行探究.教师一定要呵护孩子们这种探究热情.因为这种可行性的实验探究就是一种“真探究”.笔者在探究过程中，依据探究滑动摩擦力大小与物体间的接触面积实验中的思维模式得出探究方法：由浮力公式F浮=G排=m排g =ρ液V排g知道，浮力大小与液体的密度和物体排开液体的体积有关，这是一级变量;排开液体体积V排=Sh（为了方便学生理解，假设物体是上下粗细均匀的物块），S为物块的底面积，h为浸入液体的深度.这两个量为二级变量（如图5所示）.

若要探究浮力与物体浸入液体的深度之间的关系必须要控制一级变量液体的密度ρ液和二级变量物块的底面积（横截面积）不变，再选取器材并设计出可操作的步骤.

学生按照上文中的探究思路进行实验操作，如图6所示，在测力计下悬挂圆柱体铝块（底面积小，高度大一些），竖直且缓慢地浸入液体（水）中，观察测力计示数的变化，发现铝块浸入液体越深，测力计示数越来越小，但是，当铝块全部浸没后，测力计示数就不随深度的变化而变化了.有些教师受教材束缚，为了表达自己的观点，设计如图7中的实验：在测力计下悬挂长方体金属块（密度小且长和高相差较明显的），在金属块平放和立放时，用记号笔在金属块上以水平中线做标记，这样将金属块平放、立放浸入水中，使水平中线对应的液面都达到烧杯壁A点的位置，这样金属块排开液体的体积都是物体体积的一半，但物体下表面所处的深度不同，以此来验证ρ液和V排相同时，改变物体在液体中的深度，但是浮力却相等，依据这一实验就否定了浮力与深度有关的结论.

点评：针对初中学生思维特点，为了研究问题的方便，物块的选择都是较简单的圆柱体、长方体模型，这是无可厚非的.当物块部分浸入液体时，深度在增加，V排和浮力都在增加;当物块全部浸没后，深度虽然增加，但这是表象的，实质上是V排没有发生变化，浮力也保持不变.笔者觉得问题出在“深度”这个物理量的提法和理解上，应该分物体部分浸入和全部浸没两种情况讨论：当物块部分浸入时，深度就是物块下表面距离液面的高度;当物块全部浸没后，深度可以理解为物块上、下表面到液面的距离之差，即物块的高度（是一个定值），或者理解为物块自身在液体中的“相对深度”（物理学中这样的概念有很多，如电压就是电势之差，重力势能的决定因素相对高度等），但是教师在平时教学中对深度的理解大部分都认为物块上表面或者下表面（只选一个表面）距离液面的高度.就以图7中的实验为例，当物块刚开始浸入至一半体积浸入液体的过程中，浸入的深度难道不在增加吗？浮力不也在增大吗？所以只用了一个特殊值（半值法）的案例就推翻了浮力与深度有关的结论显然有失偏颇.因为未浸没时“相对深度”在增加，浮力也在增大;全部浸没后“相对深度”不变了，浮力怎么可能还增大呢？这观点也符合从浮力产生的原因（浮力实质是液体对物体上下表面的压力差）的角度加以解释和论证，因此，笔者认为浮力大小与物体的“相对深度”是有关的说法比较合理.

5 教师到位而不越位地引导学生积极思维，科学探究没有终点

在教学过程中，学生根据自己已有经验和认知提出猜想和假设，教师是无法预测的，不能在教学过程中轻易否定他们，将自己所谓的“科学猜想”直接塞给学生，直至探究出教师自己想要的结论，就是所谓成功的探究.针对学生“那些不靠谱”的猜想：浮力大小与物体的形状、物重、物体的体积、液体的多少等有关，教师可以用科学的方法加以引导和点拨：有些猜想通过生活常识就可以排除，学生无法直接判断出来的教师可以追问：“真的有关吗”“你的依据是什么”，实在解决不了的问题可以设计实验，亲手去探究.在讨论物体的动能大小的决定因素的猜想中，有学生提出了与物体的“高度”有关的猜想，这很正常，教师在与学生的对话中就可以解决这一疑惑，师：小球从斜面高处滑下来目的是什么？生：为了使小球获得较快的速度.师：很好，那么要使小球获得速度还有哪些方法？生：可以用手指弹、用手扔、橡皮筋弹、弹簧推等方法.师：方法这么多，为什么我们选用从斜面下滑这一方法？生：其它方法无法比较速度的大小，斜面下滑方法能直观地比较小球的初速度.在对话中学生有了收获：改变小球在斜面下滑的高度是比较速度大小最好的一种手段，且各种手段的目的都是改变小球的速度，速度才是决定性的物理量.试想，教师动辄以“伪命题”“伪探究”来封杀孩子们的想象力是不可取的.

物理实验探究活动并不是都是采用“控制变量法”.例如在新课“重力”教学中有教师提出“探究物体所受的重力的大小与哪些因素有关”的猜想，学生们首先提出：与物体的质量有关，也有学生提出与物体的密度、物体的体积、物体的形状等相关因素有关.教师由G=mg=ρVg公式中得到启发，物重G与质量m之间是一对一的独立变量（也是一级变量），无法用控制变量法来探究，可以选用质量不同的苹果、木块、小铁球和大鐵球等物块进行验证性探究;如果要探究重力的大小与物质的密度是否有关，则一定要控制物体的体积不变，反之探究重力的大小与物体的体积是否有关，则一定要控制物质的密度保持不变（ρ、V同属于二级变量）.因此，这些“研究量”都是真正的“因素（变量）”，属于科学探究实验;至于物重与物体的形状是否有关，浮力大小与液体的多少、物体的体积、物重、物体的形状等是否有关，这些“研究量”不是真正的“因素（变量）”，可以说是探究实验，因为它们得不出科学的本质规律.

6 结束语

控制变量法是物理实验探究的基本方法和思路，如何充分发挥运用这一科学探究的法宝，对未知世界的物理问题进行深入的研究是一线物理教师的重要使命.对学生而言，教师是“先知先觉”的导师，一定要站在科学思维本质的角度，让学生在学习物理知识的过程中，经历与科学家进行相似的探究过程，少走不必要的弯路，探究出物理现象背后的“隐性”的物理规律.只有这样才能促使学生主动获取物理知识与技能，感悟科学探究方法，发展科学探究能力，真正落实物理核心素养.

参考文献：

[1]郑青岳，虞伟乐.和学生一起探究绕绳的摩擦[J].物理教师，2018，39（11）：57-58.

[2]曹则贤.摩擦力与接触面积无关吗？[J].物理教学，2019，41（10）：2-3.

[3]刘信生，张贵林，汤金波.基于物理深度学习的学生自主创新实验教学策略与实施[J].物理教学，2020，42（04）：25-27+14.

[4]罗国忠.浮力难学难教的问题例析[J].中学物理教学参考，2015，44（Z1）：30-33.

[5]徐德友，胡广形.弹簧秤如何正确调整？——以一道中考题错误调零说起[J].物理教学，2015，37（12）：38-39.

[6]季卫新.刍议“科学探究”的思维本质——由伪命题“浮力与深度是否有关”想到的[J].中学物理教学参考，2018，47（17）：33-36.

（收稿日期：2020-10-08）