优化实验设计方案,提高学生实验技能

学生的操作能力，提升学生综合实验素养。本文通过对常规实验的常规做法与创新设计进行对比探讨。

1.探讨牛顿第二定律的实验

（1）平衡摩擦力

常规问题：在探讨牛顿第二定律的实验中，有关平衡摩擦力的问题，要求在不挂小钩码的情况下将木板的无滑轮的一端略为抬高，达到小车匀速即可。

创新设计：如果用了气垫导轨，因滑块（或小车）与气垫导轨之间隔着“气垫”，此时无需再将导轨一端略为抬高，反而要求将导轨水平放置。

（2）m远小于M

常规问题：在探讨牛顿第二定律的实验中，因为让所挂小钩码（或沙桶）的重力来提供拉力，并将它们的重力近似等于小车的拉力。必须让小钩码（或沙桶）的重力远小于小车重力。

创新设计1：如果在拉滑块（或小车）的绳子上串一个力传感器可以直接测出力F，则无需再要求m远小于M了。

创新设计2：实验装置：小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子.沙桶的总质量（包括桶以及桶内沙子质量）记为m，小车的总质量（包括车、盒子及盒内沙子质量）记为M。验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出。多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度.本次实验中，将车内的沙子转移到桶中，就保证了M+m不变，研究对象是整个系统，即系统的总质量不变，a= = ，多次实验并作出a-F图象，可见a-F图象斜率的物理意义是 ，系统的合外力就等于所悬挂沙桶的总重力mg，这就不必满足M≫m这样的条件。

2.力的合成实验

常规问题：在做“探究共点力合成规律”的实验时，可以先将橡皮条的一端固定在木板上，再用两个弹簧秤把橡皮条的另一端拉到某一位置O，之后只用一个弹簧秤拉橡皮条使其伸长，实验操作中，同一次实验中O点的位置不允许变动，确保两次等效。

创新设计：（力的合成创新操作）所示的实验装置来探究求合力的方法.弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M.弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置.分别读出弹簧测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向.改变拉力，进行多次实验，不必要每次都要使O点静止在同一位置。因为每次实验时，画出以A、B两弹簧的对应力为邻边的平行四边形，比较该平行四边形的对角线与M重力是否接近等值反向，如果接近，就得出可用平行四边形定则求合力的方法。

3.验证机械能守恒定律的实验

常规问题：（验证机械能守恒定律的实验），求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者基本相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。

创新设计： （验证机械能守恒定律的实验创新操作）：框架上装有光电门1和光电门2;框架竖直部分紧贴一刻度尺，刻度尺的零刻度线在上端，可以测量出两个光电门到零刻度线的距离x1和x2;框架水平部分用电磁铁吸住一个质量为m的小铁块，小铁块的重心所在高度恰好与刻度尺零刻度线对齐.切断电磁铁线圈中的电流时，小铁块由静止释放，当小铁块先后经过两个光电门时，与光电门连接的传感器即可测算出其速度大小v1和v2.。檢验结果能否满足mgx2-mgx1= 12mv22- mv 21来验证机械能是否守恒。

4.探究动能大小的影响因素的实验

常规问题：本实验用转换法的思想，通过从斜面上滚下的小球去撞击水平面上的滑块，比较滑块滑动距离从而比较做功的大小。实际操作时小球的方向性差，出现撞不到滑块的现象。另外，滑块因与地面阻力过大，滑动距离短，不便比较等问题。

创新设计：作三个变动，1、将小球改为圆柱体，使得下滑时方向性更好，更能撞击到水平面上的小车;2、将滑块改为有轮的实验小车，滑动距离更远，有利于对比;3、降低斜面的坡度，斜面与水平面的连接处有平滑的小圆弧来过渡，减少从斜面到水平面上时的能量损失。

总之，实验创新方法很多，在平时实验教学时，要领悟实验的原理与常规测量方法。创新实验的方法来源于常规实验，同时又能优化常规测量思路和方法，学会变通与创新，解答创新设计型实验题，就是要按照题目要求和题目给出的实验器材，应用相关的物理知识，迁移教材实验的方法，设计出切实可行的实验方案，实验能力在潜移默化中得到提高。

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