关于小学科学两个实验的定量分析

2021-09-10 12:40向龙
教学博览 2021年5期
关键词:倾角斜面拉力

科学是一门自然科学,实验的探究与验证对深化小学科学学科的教学具有重要而现实的意义;而实验结论的正确得出,对深化科学知识的认识、强化知识在生产生活中的正确应用具有不可替代的重要作用。受限于小学生的数学知识的准备,小学科学中的实验结论更多的是定性描述,强化的是学生的感性认知。而对于教师而言,则应该在学生感性认知的基础上更进一步,在充分收集数据的基础上经过分析与论证,尽可能的对实验结论进行定量分析,从而更深刻的认知实验现象的本质。本文将通过两个具体的实例来阐述数据分析与定量分析的重要性。

关键字:斜面倾角   滚动摩擦   滑动摩擦    正比   反比

实例一:通过对斜面实验的数据分析与处理,深刻认识斜面的省力情况与斜面倾角的关系。

探究斜面的省力效果与斜面倾角的关系是六年级科学探究实验中一个很重要的实验;本实验要求学生测量出物体的重力及沿坡度不同的斜面向上匀速拉动物体时的拉力,通过比较物重与拉力的大小,得出利用斜面可以省力的结论;通过比较不同坡度下,拉动物体沿斜面匀速运动时的拉力大小,得出在粗糙程度相同时,斜面的坡度越大,省力效果就越差的结论。但在对实验数据的分析处理中,我们发现实验的结论并不是如此的简单。

在实验中不断改变斜面的坡度,每一次都匀速拉动塑料盒沿斜面上升,实验数据如下表:

通过实验数据我们可以发现一个反常的现象,即随着坡度增加的过程中,拉力的变化是先变大后减小的;现就这一现象的出现原因进行理论上的推导与说明。

由于物体做匀速直线运动,故受力平衡,列出平衡方程得:

如果把物体换成小车,实验结论又是怎样的呢?实验中测量出的数据如下表所示:

通过分析实验数据可知,当沿斜面匀速拉动小车时,随着斜面倾角的增大,拉力也随之始终增大;为什么沿斜面拉动物体与拉动小车得出的实验结论有所不同?其问题的核心在于二者与斜面的摩擦力不同,拉动小车时,车轮与斜面的滚动摩擦非常小,几乎可以忽略不计,此时拉力F的大小关系为:F=mgsinθ,在0°与90°的范围内,sinθ始终是递增的,从而导致拉力F也持续的增大。而塑料盒与斜面之间的摩擦是滑动摩擦,其摩擦力远远大于滚动摩擦力;就是因为与斜面的摩擦力形式的不同,导致了拉力大小随斜面倾角变化的不同。

综上所述,我们可以得出结论:当沿斜面拉动物体时,如果物体与斜面的摩擦是滑动摩擦,则斜面的省力效果是随斜面倾角的增大先变差后变好的;如果物体与斜面是滚动摩擦,则斜面的省力效果随斜面倾角的增大而变差。因而我们在实验教学时,一定要注意实验的细节处理与关注,对实验数据要进行精密的分析与论证,以更好的解释实验现象的本质。

实例二:通过实验数据的准确测量,对影响物体弯曲程度的因素从定性描述到更准确的定量描述。

材料抵抗弯曲能力的大小在日常生活和工程设计中具有重要的应用;小学科学六年级教材中,专门安排了学生探究实验来研究材料抵抗弯曲的能力与什么因素有关;局限于小学生的数学能力,教材并没有要求学生对材料抵抗弯曲能力的大小进行定量的描述。如果教师能在学生实验的基础上进行数据的准确测量,从而对材料抵抗彎曲的能力大小有一个定量的认识,无疑会大大深化对知识的认知。为此,我进行了如图3所示的实验:在本实验中,把长方形薄片的中心下降高度h作为材料弯曲程度大小的量度,h越大,表明弯曲程度越大;h越小,表明弯曲程度越小。

实验探究一:探究弯曲程度h与材料所受压力F的关系;在实验中保持材料的宽度、两支点间的跨度、厚度不变,只改变材料中心所受压力F的大小。在材料中心横放一圆柱体,通过向圆柱体中放入细沙的多少来改变材料所受压力的大小。

通过表中数据可知,h/F=k(k为常数),从而我们可以得出结论:弯曲程度h与压力F成正比。

实验探究二:探究弯曲程度h与材料宽度b的关系;保持材料中心的压力、材料种类、厚度、两支点间跨度不变,改变材料的宽度,实验数据如表中所示:

通过实验数据可知,bh=k(k为常数),我们可以得出结论:弯曲程度h与宽度b成反比;即物体的宽度越大,弯曲程度就越小,抵抗弯曲的能力就越强。

实验探究三:探究弯曲程度h与两支点间跨度L的关系;保持材料中心的压力、材料种类、厚度、宽度不变,改变材料两支点间跨度L,实验数据所示:

通过表格中的数据可知,支点间的跨度L越大,弯曲程度h就越大,抵抗弯曲的能力就越弱。但h是否与L存在着定量关系呢?不妨设

通过上面的两个实例我们可以看出,定量分析不仅可以化繁为简、深化对知识的本质认知,还可以从深层次澄清一些似是而非的实验结论,让实验的结论更具严谨性和严密性;因而较强的数学能力、较好的数据处理技巧是一名科学教师必备的基本素质。

兴山县峡口镇中心小学 向龙

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