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【摘要】利用弹簧和刻度尺自制测力计，引导学生关注弹簧弹力和伸长量之间的关系，用作图法计算劲度系数，得出胡克定律。本实验设计分为三个层次：定性分析;定量计算，得出胡克定律F=k·△x;在水平方向进行验证性实验。
【关键词】KPK 胡克定律 高中物理
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）40-0154-02
人教版教材中，“胡克定律”是必修一第三章“相互作用”的第二节内容。课程标准的要求是知道胡克定律，并举例要求制作一个简易弹簧测力计，用胡克定律解释其工作原理[1]。教材中是以图片的形式给出悬挂法测定弹簧劲度系数的实验方案，通过实验得出胡克定律，简单介绍劲度系数。而教师授课时基本上按照悬挂法进行实验或者结合图片、视频和习题进行讲解。
1.实验教学现状
胡克定律实验的课本内容属于通过实验探究得出定律，从作图入手处理数据，结合数学线性函数知识得出表达式。在教学过程中该实验一般分为两类：教师演示实验和学生动手实验。
教师在课堂中进行演示实验时，目前有三种常用的处理方案：（1）根据教材图片（图1）提供的方案即水平用弹簧测力计拉动弹簧，记录下不同拉力下弹簧的增长量，然后作图处理数据得出表达式;（2）悬挂法测量弹簧伸长量和钩码之间的关系，在课前多次测量并记录数据，提前做出图像，在课堂上演示一遍实验过程后，将课前的实验记录结果和图像展示给学生，由此得出表达式;（3）制作直观型教具，比如将多个弹簧水平等间距的固定悬挂在木板上，在弹簧下依次挂上等量递增的钩码，并标记弹簧下端的位置，然后作图处理这些点，由此得出表达式。
这三种演示实验方式无论直观度如何，都不能改变胡克定律的演示实验本身存在的数据记录量大、实验过程操作简单重复率高和耗时间等缺点。学生边听边看教师操作的过程中缺少自我思考，实验过程受测量误差的影响容易出现作图失败的结果，会使学生对实验的结论产生不同程度的疑惑;其次，作为课堂演示实验，利用测量弹簧的形变量的作图方法烦琐，会占用大量的课堂教学时间，教学效果往往不佳[2]。
作为学生动手实验，由于课本没有给出实验方案，学生在教师指导下进行实验，无法依靠课本进行预习准备。胡克定律实验与之前的运动学实验不同，运用打点计时器测量速度实验用时短，实验后续处理复杂。而胡克定律实验用时长，实验步骤重复操作次数多，为了确保实验精确，需要多次实验，对于高一的学生而言，这样的实验没有趣味，无法调动学生对物理实验的兴趣。同时要求学生进行独立实验，加重了教师在课前准备实验的负担，占用本就短缺的课时。
由此可见胡克定律实验操作简单，操作重复度高，数据记录量大，无论是演示实验还是让学生动手实验都很难调动学生的积极性。为了解决这个困境，可以参考德国卡尔斯鲁厄课程教材中用橡皮筋指导学生制作测力计的方式，增加学生对实验的兴趣。考虑到教师的课堂教学时间，本实验可以放在弹力之后作为胡克定律的引入实验。
2.实验改进方案
在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中将“探究弹簧弹力和形变量的关系”列为必修课程中学生必做实验，可见该实验的重要性。同时新课标要求“教师可在一些物理实验中创设情境，让学生在观察和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题;还可在实验中创设一些任务，让学生在完成任务中运用科学思维，自己提炼出应探究的科学问题[3]。”进行胡克定律实验之前，學生已经做过多个运动学实验，具备独立进行实验操作和基础的记录和处理数据能力。笔者参考德国卡尔斯鲁厄物理课程教材中胡克定律的实验设计，基于我国教学内容和学生认知水平，提出以引导学生自主探究为基础的胡克定律实验改进方案。
2.1实验目的
制作一个弹簧测力计，在制作过程中引导学生观察弹簧拉伸长度和弹力的关系，同时引导学生理解测力计的设计原理。通过创设情境，安排任务增加学生进行实验的积极性。
2.2 实验设计及过程
总体设计分为三个层次：
层次一：定性探究，通过指导学生利用弹簧、刻度尺制作弹簧测力计，在制作测力计过程中引导学生注意测力计刻度与弹力之间的关系;
层次二：定量计算，通过弹簧测力计探究弹簧弹力和形变量的关系，得出胡克定律F=k·Δx;
层次三：在水平方向进行验证性实验。
（1）定性探究
创设情景：在测力计还没有发明，力的测量单位还没有确定下来的情况下，如何测量物体所受的重力？
提出任务：利用弹簧，米尺，木板制作一个测力装置。
第一步：确定量度单位。教师以米尺测量木板长度为例子，引导学生在测量力的大小之前，需要确定一个基本单位。然后教师提出一个确定方法：先将一个弹簧固定在刻度尺的一端，并让它在水平方向自然伸长，测出它在自然状态的长度X0，如图2。然后将弹簧拉伸5cm，我们规定弹簧伸长5cm时受到的拉力为一个单位的力。
第二步：标定更多单位。教师提出问题：在已经标定一个基本单位力的大小的情况下，如何在米尺上标定两个单位力的大小，给学生一定的时间思考。然后教师请学生回答，将学生思路引导到以下方案：已知一个弹簧拉伸5cm时受到的拉力为1个单位，假如，我们将三个相同的弹簧连在同一个结点，用力拉伸其中一个弹簧直至两个被拉伸弹簧的伸长量为5cm，拉伸过程中保证三个弹簧在同一水平线上。此时手拉住的弹簧就受到两个单位的力，在刻度尺上就可以标记拉伸到
这个点的力是受到两个单位的力，如图3。用同样的方式，并联更多的弹簧，标定更多单位。此时弹簧和其固定的刻度尺就是一个测力计。
第三步：画出标定图像。当我们让学生标记了六个单位的力之后，教师提出问题：如果我们知道弹簧伸长3cm，如何得出弹簧弹力的大小？让学生思考，引导学生观察刻度尺上每个单位之间的间隔。通过单位之间的间隔不变，得出每增加一个单位的力，弹簧的伸长量是相同的结论。此时学生就会联想到弹簧弹力和弹簧的伸长量是正比关系，也就是说弹簧伸长3cm，弹簧弹力是0.6个单位的力。
（2）定量计算
由于高一的学生已经学过了一次函数，具备基础的数学知识，教师先让学生通过标准弹簧测力计读出一个单位力的大小，然后让学生以自制弹簧测力计上力的单位标记点为纵坐标，以拉伸到该点所用的力为横坐标作图，通过图像可以得出表达式F=k·Δx并求出弹簧的劲度系数k。
（3）水平方向的验证实验
学生得出胡可定律的表达式后，教师可以通过用标准弹簧测力计测量弹簧弹力的方法验证表达式是否成立。将标准弹簧测力计在水平方向上拉伸弹簧（在弹性限度内）到一定刻度X1，读出此时的拉力F1。将X1-X0的差值带入表达式中求得理论值F2，通过比较理论值和实际值验证表达式是否成立。
3.总结与反思
自制测力计实验在教学过程中创设情景，引发学生的探究兴趣，满足学生对于物理学习中自主探究和动手实验的想法。与传统的悬挂法实验相比，减少实验步骤和数据处理量，突破了胡克定律演示实验搬运道具的困难。从学生的认知水平出发，实验分为定性和定量探究两个部分，思路清晰，循序渐进。
本实验用的是实验室常见器材，利用弹簧和刻度尺，器材简单，直观度高，便于学生理解实验的本质。同时可以将弹簧改为橡皮圈，利用橡皮圈和刻度尺制作测力计，运用生活器材进行实验，能够解决因实验器材匮乏而难以开展实验的难题，用作图法处理数据方便快捷。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2017. 12
[2]常克义.关于胡克定律演示实验的改进研究[J].中国教育技术装备， 2016， 09： 143～144.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017. 53
作者简介：
景行行止（1993.3-），浙江湖州人，硕士在读，研究方向：国外教材研究。
【关键词】KPK 胡克定律 高中物理
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）40-0154-02
人教版教材中，“胡克定律”是必修一第三章“相互作用”的第二节内容。课程标准的要求是知道胡克定律，并举例要求制作一个简易弹簧测力计，用胡克定律解释其工作原理[1]。教材中是以图片的形式给出悬挂法测定弹簧劲度系数的实验方案，通过实验得出胡克定律，简单介绍劲度系数。而教师授课时基本上按照悬挂法进行实验或者结合图片、视频和习题进行讲解。
1.实验教学现状
胡克定律实验的课本内容属于通过实验探究得出定律，从作图入手处理数据，结合数学线性函数知识得出表达式。在教学过程中该实验一般分为两类：教师演示实验和学生动手实验。
教师在课堂中进行演示实验时，目前有三种常用的处理方案：（1）根据教材图片（图1）提供的方案即水平用弹簧测力计拉动弹簧，记录下不同拉力下弹簧的增长量，然后作图处理数据得出表达式;（2）悬挂法测量弹簧伸长量和钩码之间的关系，在课前多次测量并记录数据，提前做出图像，在课堂上演示一遍实验过程后，将课前的实验记录结果和图像展示给学生，由此得出表达式;（3）制作直观型教具，比如将多个弹簧水平等间距的固定悬挂在木板上，在弹簧下依次挂上等量递增的钩码，并标记弹簧下端的位置，然后作图处理这些点，由此得出表达式。
这三种演示实验方式无论直观度如何，都不能改变胡克定律的演示实验本身存在的数据记录量大、实验过程操作简单重复率高和耗时间等缺点。学生边听边看教师操作的过程中缺少自我思考，实验过程受测量误差的影响容易出现作图失败的结果，会使学生对实验的结论产生不同程度的疑惑;其次，作为课堂演示实验，利用测量弹簧的形变量的作图方法烦琐，会占用大量的课堂教学时间，教学效果往往不佳[2]。
作为学生动手实验，由于课本没有给出实验方案，学生在教师指导下进行实验，无法依靠课本进行预习准备。胡克定律实验与之前的运动学实验不同，运用打点计时器测量速度实验用时短，实验后续处理复杂。而胡克定律实验用时长，实验步骤重复操作次数多，为了确保实验精确，需要多次实验，对于高一的学生而言，这样的实验没有趣味，无法调动学生对物理实验的兴趣。同时要求学生进行独立实验，加重了教师在课前准备实验的负担，占用本就短缺的课时。
由此可见胡克定律实验操作简单，操作重复度高，数据记录量大，无论是演示实验还是让学生动手实验都很难调动学生的积极性。为了解决这个困境，可以参考德国卡尔斯鲁厄课程教材中用橡皮筋指导学生制作测力计的方式，增加学生对实验的兴趣。考虑到教师的课堂教学时间，本实验可以放在弹力之后作为胡克定律的引入实验。
2.实验改进方案
在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中将“探究弹簧弹力和形变量的关系”列为必修课程中学生必做实验，可见该实验的重要性。同时新课标要求“教师可在一些物理实验中创设情境，让学生在观察和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题;还可在实验中创设一些任务，让学生在完成任务中运用科学思维，自己提炼出应探究的科学问题[3]。”进行胡克定律实验之前，學生已经做过多个运动学实验，具备独立进行实验操作和基础的记录和处理数据能力。笔者参考德国卡尔斯鲁厄物理课程教材中胡克定律的实验设计，基于我国教学内容和学生认知水平，提出以引导学生自主探究为基础的胡克定律实验改进方案。
2.1实验目的
制作一个弹簧测力计，在制作过程中引导学生观察弹簧拉伸长度和弹力的关系，同时引导学生理解测力计的设计原理。通过创设情境，安排任务增加学生进行实验的积极性。
2.2 实验设计及过程
总体设计分为三个层次：
层次一：定性探究，通过指导学生利用弹簧、刻度尺制作弹簧测力计，在制作测力计过程中引导学生注意测力计刻度与弹力之间的关系;
层次二：定量计算，通过弹簧测力计探究弹簧弹力和形变量的关系，得出胡克定律F=k·Δx;
层次三：在水平方向进行验证性实验。
（1）定性探究
创设情景：在测力计还没有发明，力的测量单位还没有确定下来的情况下，如何测量物体所受的重力？
提出任务：利用弹簧，米尺，木板制作一个测力装置。
第一步：确定量度单位。教师以米尺测量木板长度为例子，引导学生在测量力的大小之前，需要确定一个基本单位。然后教师提出一个确定方法：先将一个弹簧固定在刻度尺的一端，并让它在水平方向自然伸长，测出它在自然状态的长度X0，如图2。然后将弹簧拉伸5cm，我们规定弹簧伸长5cm时受到的拉力为一个单位的力。
第二步：标定更多单位。教师提出问题：在已经标定一个基本单位力的大小的情况下，如何在米尺上标定两个单位力的大小，给学生一定的时间思考。然后教师请学生回答，将学生思路引导到以下方案：已知一个弹簧拉伸5cm时受到的拉力为1个单位，假如，我们将三个相同的弹簧连在同一个结点，用力拉伸其中一个弹簧直至两个被拉伸弹簧的伸长量为5cm，拉伸过程中保证三个弹簧在同一水平线上。此时手拉住的弹簧就受到两个单位的力，在刻度尺上就可以标记拉伸到
这个点的力是受到两个单位的力，如图3。用同样的方式，并联更多的弹簧，标定更多单位。此时弹簧和其固定的刻度尺就是一个测力计。
第三步：画出标定图像。当我们让学生标记了六个单位的力之后，教师提出问题：如果我们知道弹簧伸长3cm，如何得出弹簧弹力的大小？让学生思考，引导学生观察刻度尺上每个单位之间的间隔。通过单位之间的间隔不变，得出每增加一个单位的力，弹簧的伸长量是相同的结论。此时学生就会联想到弹簧弹力和弹簧的伸长量是正比关系，也就是说弹簧伸长3cm，弹簧弹力是0.6个单位的力。
（2）定量计算
由于高一的学生已经学过了一次函数，具备基础的数学知识，教师先让学生通过标准弹簧测力计读出一个单位力的大小，然后让学生以自制弹簧测力计上力的单位标记点为纵坐标，以拉伸到该点所用的力为横坐标作图，通过图像可以得出表达式F=k·Δx并求出弹簧的劲度系数k。
（3）水平方向的验证实验
学生得出胡可定律的表达式后，教师可以通过用标准弹簧测力计测量弹簧弹力的方法验证表达式是否成立。将标准弹簧测力计在水平方向上拉伸弹簧（在弹性限度内）到一定刻度X1，读出此时的拉力F1。将X1-X0的差值带入表达式中求得理论值F2，通过比较理论值和实际值验证表达式是否成立。
3.总结与反思
自制测力计实验在教学过程中创设情景，引发学生的探究兴趣，满足学生对于物理学习中自主探究和动手实验的想法。与传统的悬挂法实验相比，减少实验步骤和数据处理量，突破了胡克定律演示实验搬运道具的困难。从学生的认知水平出发，实验分为定性和定量探究两个部分，思路清晰，循序渐进。
本实验用的是实验室常见器材，利用弹簧和刻度尺，器材简单，直观度高，便于学生理解实验的本质。同时可以将弹簧改为橡皮圈，利用橡皮圈和刻度尺制作测力计，运用生活器材进行实验，能够解决因实验器材匮乏而难以开展实验的难题，用作图法处理数据方便快捷。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2017. 12
[2]常克义.关于胡克定律演示实验的改进研究[J].中国教育技术装备， 2016， 09： 143～144.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2017. 53
作者简介：
景行行止（1993.3-），浙江湖州人，硕士在读，研究方向：国外教材研究。