中学物理教学法实验指导书

一、前言

中学物理教学法实验是物理学师范专业的专业方向课。是在完成了普通物理实验和近代物理实验之后开设的对师范生能够顺利从事中学物理教学而设置的实验课。从实验教学本身的目的而言，不同于普通物理实验和近代物理实验。在普通物理实验和近代物理实验中，学生接受了各种现代测量仪器使用方法和各种物理量的测量方法的训练；实验中误差分析及数据处理方法的训练。这些训练足以确保学生有能力进行中学物理实验教学。那么为什么还要开设中学物理教学法实验哪？这是由中学生的认知特点以及中学物理学习过程中的特点决定的，具体原因如下：1、普通物理实验和近代物理实验中培养学生精确测量和数据处理方法，而中学物理实验，由于学生认知的发展状况，多为定性或半定量实验。这就使得中学物理教学法实验课有着不同于普通物理实验和近代物理实验的自己独特的属性，即物理实验思想的培养。2、大学生在做过普通物理实验和近代物理实验后对实验的定量精确性追求使得他们对中学物理教学法实验不屑一顾，对中学物理实验教学和中学物理教法实验的本质理解不深。3、在普通物理实验和近代物理实验中，学生的角色多为被动，很少能够独立思考，独立进行动手操作。而大学生毕业后到中学工作需要独立的思考能力和动手操作能力。

鉴于以上原理，中学物理教学法实验注重对大学生进行以下几方面能力和思维习惯的培养。1、面对中学实际进行实战能力的培养完

成由学生角色到教师角色的转换。大学生毕业后到中学工作，一切工作都要独立完成，从实验准备到实验教学都要求大学生必须有独立思考、工作的能力。2、通过教学法实验让大学生学会从中学生的视角来对待科学探究。科学探究从来就不是一触而就的，需要从未知到模糊认识再到清楚认知问题所再到初步建立模型认知事物，最后达到清楚认识的过程。科学探究是一个艰苦卓绝的过程，绝不像应试教育课堂上教师讲课那样来得简单、来得现成。

因此，我们在教学法实验中着重学生独立工作能力的培养，从实验准备，到实验原理认识再到实验探究的整个过程让学生独立完成，从分充当主角，而实验指导教师只是充当配角作用，在试验中和学生进行适当讨论。学生遇到不会使用的仪器，不是首先通过询问教师获得帮助，而是通过阅读仪器使用说明书来学会。实验结束后，改以往完成实验报告为学生还要写出实验教学的教案，促使学生尽快转换角色。因而本课程对学生成绩的评价包括实验准备、实验设计过程、实验结果、教案完成质量等多方面全面进行。

因此，本指导书的实际指导价值实际上很小，仅供学生部分参考。本实验指导书的写法，也与以往实验指导书有所不同。有不正之处，敬请指正。

实验一：牛顿第二定律的验证

【实验目的】

1. 熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的调整方法。

2. 熟悉用光电测量系统测量短时间的方法。

3. 验证牛顿第二定律。 【实验仪器】

气垫导轨、气源、存贮式数字毫秒计、砝码、砝码盘、细线 【实验原理】

设一物体的质量为M ，运动的加速度为a ，所受的合外力为F ，则按牛顿第二定律有如下关系：

ma F = （1） 此定律分两步验证：

（1）验证物体质量M 一定时，所获得的加速度a 与所受的合外力F 成正比。

（2）验证物体所受合外力F 一定时，物体运动的质量M 与加速度a 成反比。

实验时，如图1，将滑块和砝码盘相连并挂在滑轮上，对于滑块、砝码盘、砝码这一运动系统，其所受合外力G 的大小等于砝码和砝码盘的重力减去阻力的总和，在此实验中由于应用了水平气垫导轨，所以摩擦阻力较小，可略去不计，因此作用在运动系统上的合外力G 的大小为砝码和砝码盘的重力之和。

图1 验证牛顿第二定律系统

因此按牛顿第二定律：

a m n n m m Ma g m n m G ])([)(22110220+++==+= （2）

其中砝码盘的质量为m 0，加在砝码盘中砝码的质量为n 2m 2（每个砝码的质量为m 2，共加了n 2个），滑块的质量为m 1，加在滑块上砝码的质

量为n 1m 2（共加了n 1个）。则运动系统的总质量M 为上述各部分质量之和。

从(2)式看，由于各部分质量均可精确测量，因此只需精确测量出加速度a 即可验证牛顿第二定律。

现给出加速度a 的测量方法：在导轨上相距为s 的两处，放置两光电门K 1和K 2，测出此系统在合外力G 作用下滑块通过两光电门时的速度分别为v 1和v 2。则系统的加速度a 等于

s v v a 22122-=

（3）

因此，问题简化为测量出滑块通过两光电门时的速度，滑块的速度按以下原理测量：挡光片的形状如图2所示，把挡光片固定在滑块上，挡光片两次挡光的前缘'11和'22之间的距离为x ?。当滑块通过光电门时，第一次挡光开始计时，第二次挡光停止计时，挡光片两次挡光的时间间隔为t ?，可由数字毫秒计测出。则滑块经过光电门的速度为：

t x

v ??=

（3）

图2 挡光片示意图

x ?越小，则测出的运动速度越接近滑块在该处的瞬时速度，x ?一般很小，约取1cm 左右。

分别测出挡光片通过两光电门的时间间隔1t ?和2t ?，则得滑块的加

速度a ，

???

????-??=

21222)(1)(12)(t t s

x a （4）

【实验内容与步骤】

（一） 验证物体质量M 一定时，所获得的加速度a 与所受的合外力F 成正比。

1． 数字毫秒计采用光控输入插座连接两个光电门，检查光电门，

按数字毫秒计面板上的【功能】键选择用S2挡，测量挡光框对任意一个光电门的挡光间隔时间。

2．给气垫导轨通气，调整导轨的底脚螺丝使导轨水平。检验是否水平的方法，是看滑块自由运动时经过两光电门的时间是否相等（相对差别应小于1%），如相等，则说明滑块作匀速直线运动，导轨是水平的。

3．用游标卡尺测量挡光框上两前沿间的距离△x，用米尺测出两光电门的距离s，一般导轨上附有标尺，可直接读出s。

4．把系有砝码盘的细线通过气垫导轨定滑轮与滑块（滑块上至少加三个砝码）相连，再将滑块移至远离定滑轮的一端，松手后滑块便从静止开始作匀加速直线运动。

5．重复步骤4三次，每次从滑块上将一个砝码移至砝码盘中（每个砝码的质量m2为5.00g），分别记下滑块挡光片通过两个光电门的时间间隔△t1、△t2，以及砝码盘和加在砝码盘上砝码的总质量（m0＋n2m2）。将测量结果填入表3－1。

6．由式（4）计算加速度的数值，求出各加速度a之后作出G－a关系图，纵轴G表示砝码和砝码盘的总重量G，横轴表示加速度a。所作的图线应是一直线，求出所得图线的斜率，并将其和运动系统总的质量M作比较，理论上二者应相等，如在实验误差范围内，则验证了物体的质量M不变时，物体的加速度a与所受合外力F成正比。

（二）验证物体所受合外力F一定时，物体运动的质量M与其加速度a成反比。

1、2、3、步骤同上。

4．把系有砝码盘的细线通过气垫导轨定滑轮与滑块相连，再将滑块移至远离定滑轮的一端，松手后滑块便从静止开始作匀加速直线运动。

5．保持砝码盘与砝码盘中砝码的总质量不变，重复步骤4两次，每次给滑块加砝码10.00g，分别记下滑块挡光片通过两个光电门的时间间隔△t1和△t2，将测量结果填入表2。

6．由（4）式计算加速度的数值a1、a2，并计算M1a1、M2a2（其中M1、M2分别表示对应于a1、a2时运动系统的总质量），如果二者相等或者它们的差异未超出实验容许的范围，则可以认为合外力G 一定时，运动系统的质量M与其加速度a在误差范围内是成反比的。

【数据记录及处理】

表1 验证物体的质量M 不变时，物体的加速度a 与所受合外力F 成正比的数据表

s= m ?x= m =0m kg 2m = kg M= kg

g m n m )(220+

表2 验证物体所受合外力F 一定时，物体运动的质量M 与其加速度a 成反比的数据表 s= m ?

x= m =0m kg 2m = kg G= N

])([22110m n n m m +++

【思考题】

1. 数字毫秒计的电路联好后，动作不正常，应首先检查哪部分？

2. 2. 为什么要将备用的砝码放在滑块上，而不是放在实验台上？

3. 为什么滑块的起始位置要保持一定？

4. 实验开始时，如果未将导轨充分调平，得到的G－a图应是什么样的？对验证牛顿第二定律将有什么影响？

5.试求加速度a的相对误差和绝对误差，确定加速度a测量值的有效数字位数。

6. 如果不用天平，而用气垫导轨和毫秒计来测量滑块的质量，试推导计算滑块质量的公式，并扼要地说明测量的具体步骤。

实验二：研究碰撞中的动量守恒

实验原理

碰撞是自然界中常见的现象，碰撞可能有很多情形。例如，两个质量相等的物体相碰撞，两个质量相差悬殊的物体相碰撞，两个同一直线上运动的物体碰撞，两个不在一条直线上运动的物体相碰撞，一个运动物体与一个静止物体相碰撞……两个物体的质地不同，碰撞的情形也不一样。例如两个物体碰撞时可能碰后分开，也可能粘在一起不再分开……

两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动，这种碰撞叫一维碰撞。要保证碰撞是一维的，首先要保证碰撞前两物体是在同一直线上运动，另外要保证物体碰撞时是对心碰撞。

在一维碰撞中与物体运动有关的物理量只有物体的质量和物体的速度。碰撞前后物体的质量是不变的，而速度在碰撞前后是变化的，则在物体的碰撞过程中，碰撞前后保持不变的物理量应与物体的质量和速度都有关。

质量可以用天平测量。碰撞前后的速度可以通过光电计时器测量，或者通过打点计时器测量，也可以通过平抛运动的知识来测量，还可以通过机械能守恒的原理测量等等。

一、气垫导轨实验探究法

探究思路

利用气垫导轨能够很容易的保证两个滑块的碰撞是一维的，与之配套的光电计时装置可以迅速测量出两个滑块碰撞前后的速度。

不同的质量可以通过在滑块上加重物的办法来实现。应用气垫导轨很容易控制滑块碰撞前后的速度或使它在碰撞前静止。因此这个实验是本实验的首选。

注意：

1、碰撞时难免有能量损失。只有当某个物理量在能量损失较大和损失较小的碰撞中都不变，它才是我们寻找的不变量。在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架，可以得到能量损失很小的碰撞。在滑块的碰撞端面贴胶布，可以增大碰撞时的能量损失。如果在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两个滑块连接成一起运动，这样的碰撞中能量损失很大。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，碰撞时它们也会连成一体。

2、原来连在一起的两个物体，由于它们之间具有相互排斥的力而分开，这实际上也是一种碰撞。这种情况可以通过下面的方法实现：用细线将弹簧片拉成弓形，放置于质量不同的两个滑块之间，并使它们静止。然后烧断细线，弹簧片弹开后落下，两个滑块随即向相反方向运动。

1、利用探究的方法，培养观察、推理、寻求规律的能力

2、学会气垫导轨的原理和调整，挡光板和光电计时器的原理以及瞬时速度的测量

3、利用实验的方法，探究出碰撞中的守恒量

4、练习使用气垫导轨和光电计时器

实验器材

气垫导轨、滑块、光电门、光电计时器、学生电源、导线、开关、天平

实验步骤

1、先用天平测出两个滑块的质量m1和m2。

2、调节气垫导轨水平（方法是将滑块放到导轨上，不自动地向一方滑动），并调整光电门处于待测状态。

3、按图连接好实验装置

4、打开气垫导轨，让滑块能在导轨上无摩擦地滑动

5、打开光电计时器，分别给两滑块初速度，用光电计时器直接测出碰前速度v1和v2以及碰后的速度v1ˊ和v2ˊ，并记录在表格中。

填表时要注意：如果小球碰撞后运动的速度与原来的方向相反，应在数据前加一负号表示。

6、在两滑块碰撞位置加上橡皮泥（用天平称出加泥后的质量），

再重复上述过程，把碰撞前后的速度 记录在表格中。

7、在两滑块的碰撞端贴胶布，同样重复上述过程，记录数据，填入表格。

8、研究记录的数据，从中找出前后不变的量。 注意事项

1、应让滑块在导轨上能无摩擦地滑动，不受阻力作用。

2、气垫导轨应放水平。

3、所给滑块的初速度不能太大或太小。

在水平气垫导轨上研究两个滑块相互作用的过程中系统动量的变化情况，以及能量的变化情况。实验仪器如图所示。

根据动量守恒应有/

22/

112211v m v m v m v m +=+，利用天平测量滑块的质量，利用光电门测量挡光片的遮光时间，计算滑块m 1、m 2相互作用前后的速度1v 、2v 、/

1v 、/

2v ，则可以验证动量守恒。并计算系统

相互作用前后的总动能222211K v m 21v m 21E +=、2

/2

22/11/K v m 21v m 21E +=，

以及能量的变化量K K

E E ?，并分析相互作用过程中的能量变化规律。

为了研究接触面的性质以及相互作用前物体运动情况对动量以及能量的变化有无影响，应根据接触面性质、运动情况的不同组合分别加以验证。由于时间关系，采取相互合作的方式，每小组只验证以下几种情况中的一种：弹性圈的动碰静、弹性圈对碰、弹性圈追碰，裸块的动碰静、裸块追碰，粘扣的动碰静。最后将各组实验结果综合在一起分析。

三、学生分组实验

通过分组实验验证相互作用前后系统的动量、能量的变化情况，将实验结论记录于实验记录单。并在小组内分析、讨论实验结果。

实验三用单摆测重力加速度

【实验目的】

1.掌握用单摆法测量重力加速度的方法,加深对简谐运动规律的认

识。

2.学习电子停表的使用。

3.学习用图解法处理数据。

【实验仪器】

单摆、电子停表、钢米尺、游标卡尺

【实验原理】

一根不能伸缩的细线，上端固定，下端悬挂一个重球，当细线质量比重球质量小很多，而且球的直径又比细线的长度小很多时，就可以把重球看作是一个不计细线质量的质点。如果把悬挂的小球（摆球）自平衡位置拉至一边（保持摆角θ<5?），然后释放，摆球即在平衡位置左右作周期性摆动，这种装置称为单摆，如图1所示。

摆球所受的力f是重力P和绳子张力的合力，指向平衡位置。当摆角很小时（θ<5?），圆弧可以近似看成直线，合力f也可以近似地看做沿着这一直线。设小球的质量为m，其质心到摆的支点的距离为L（摆长），小球位移为x，则

L

x

≈θsin

（1）

x L

g

m L x mg

P f -=-==θsin 由 ma f =

可知 x L

g a -= （2）

由公式（2质点的运动可以近似地看作简谐振动，我们又知，简谐振动的动力学方程可归结为 0222=+x dt

x

d ω

即 x a 2ω-=（3）

比较式（2）和式（3）可得单摆简谐振动的圆频率为 L

g =

ω 于是单摆的运动周期为 g

L

T π

ω

π

22==

两边平方 g L T 224π=

即 22

4T

L

g π= （4） 若测得L 、T ，代入式（4）即可求得当地的重力加速度g 。若测出不同摆长L i 下的周期T i ，作T i 2-L i 图线，由直线的斜率可求出当地的重力加速度g 。

实验时，测量一个周期的相对误差较大，一般是测量连续摆动n 个

周期的时间t ，则T=t/n ，因此

2

22

4t L

n g π= （5）

式中的n 不考虑误差，因此上式的误差传递公式为

t

t

L L g g ?+?=?2 从上式可以看出，在?L 、?t 大体一定的情况下，增大L 和t 对测量

g 有利。

【实验内容和步骤】

1. 测量摆长L 。摆长L 为摆线长l 加(圆柱体)摆锤高度H 的一半，建议摆长取约一米。用钢米尺测量摆线长l ，游标卡尺测摆锤高度H ，分别测量5次，将数据记入表1中。

2. 测量单摆摆动周期T 。拉开摆锤，然后放手，使单摆在竖直平面内作小角度（摆角θ<5?）摆动，用停表测出单摆摆动n=50个周期所需要的时间t （=50T ），重复测量5次，将数据记入表1中。

3. 按公式（5）计算g 值，并求出相对误差g

g

?和绝对误差?g ，写出测量结果的完整表达式。

4. 取摆长分别约等于100cm 、90cm 、80cm 、70cm 、60cm ，测出与各摆长对应的50个周期的时间（50T ），将数据记入表2中。

5. 用图解法处理数据。以L 为横坐标，T 2为纵坐标，在坐标纸上作

T

2-

L 图线(L g

T 2

2

4π=)，

用图解法求出直线的斜率，并由此求出g 。

将其与公认值比较（桂林地区的重力加速度g地=9.7897m/s2）,求出百分误差。

参考表格：

表1

表2

表3

【思考题】 1、

公式2

2

4T L

g π=成立的条件是什么？在实验中如何保证这一条的实现？ 2、

从g 的相对误差公式分析，影响测量误差的主要因素是什么？

若摆长改为10cm （甚至5cm ），会产生什么影响？

实验四：模拟法测绘静电场

【 实验仪器 】

电场措绘仪，指零仪，直流电源，探针。

【实验原理】

在生产和科研中，常会碰到各种各样的静电场，如示波器、加速器、电子显微镜等装置中都利用了不同形状的静电场来使带电粒子加速和聚焦。由于实际工作中碰到的电场形状或介质的分布比较复杂，用理论方法计算有一定的困难，如果直接测量静电场分布，又因探极的引入而影响了电场的分布。因此，在工程设计及科研中常用模拟的方法求得电场分布。导电纸法是比较方便的方法，虽然只能模拟二维静电场，但在一般情况下也就够用了。

直接描绘静电场中的等势线是比较困难的。但由于稳恒电流场遵从的规律在形式上和静电场相似，所以可以用来模拟静电场。

我们可用导电纸上形成的稳恒电流场来模拟静电场，当在电流场中与导电纸接触的两探针尖端电势差为零时，与探针相连的电流计中通过的电流强度为零，从而可利用灵敏电流计和探针找出电场中的等势点，并依据等势点进行等势线的描绘。

本实验是模拟实验。我们知道，带电体在它的周围空间产生电场，静电场中场强的分布情况，可用电场线形象地表示出来。而电场线和等势面是相垂直的，通过实验测绘出电场的等势面（线），利用电场线和它正交的关系，可以描绘出电场线，得到电场分布的形象描述。

实际测绘静电场的等势面（线）是相当困难的，因为通常用的测量仪表大都是磁电式的，有电流才会有反应，静电场不会有电流，因此无法测量。

实验中通常是用电流场来描述静电场。从电磁学理论知道，这两种场所遵守的规律，形式上相似。利用其相似性，可以通过对容易测量的电流场的研究来代替不易测量的静电场的研究。

具体的做法是将和静电场中带电体相同形状的电极，按带电导体的分布位置放在均匀的导电物质中，导电物质应是导电率不大的不良导体（导电纸）。在电极上加上一定电压以后，导电物质中将形成稳定的电流场。这个电流场中的电位分布情况和对应的静电场中电势分布情况是一样的。电流场中电位可以用金属探针和灵敏电流计测出。

【实验步骤】

1 如图

2 ，在平整木板上依次铺放白纸、复写纸和导电纸 ( 有导电物质的一面向上 ) ，然后用图钉把它们固定在木板上。