一道值得探究的实验设计题_物理复习-查字典物理网

从近几年中考试题的内容来看，与力学中的摩擦力知识相联系的题目占有较高的比例，这类题主要是探究性方面的开放试题。分析和解答这类试题时必须做到：首先，要判断题中物体所受的摩擦力是否存在，若有摩擦要分清是静摩擦还是滑动摩擦或滚动摩擦；其次，要明确影响滑动摩擦力大小的两个因素是压力与接触表面的粗糙程度；第三，对探究性方面的开放题，要认真分析题中的有关条件，注意提出的问题要与题意吻合；同时，这类开放性试题大多涉及根据课本知识进行改编或课本上没有学到的知识，要求学生具有举一反三、触类旁通的知识迁移能力。下面是一道关于滑动摩擦力方面的探究实验设计的开放性试题。

例：同一水平桌面上放有长方体木块和铁块各一个。现想探究木块和铁块的下表面谁更粗糙，请你只利用一个量程满足实验要求的弹簧测力计，设计一个实验来验证你的猜想。

（1）写出实验的步骤。

（2）说明可能观察到的现象，以及根据该现象能得出的相应结论。

参考答案：（1）将铁块放在木块上，用弹簧测力计水平匀速拉动木块，记下弹簧测力计的示数；将木块放在铁块上，用弹簧测力计水平匀速拉动铁块，记下弹簧测力计的示数；（2）若，则木块下表面粗糙；若，则铁块下表面粗糙；若，则木块和铁块的下表面一样粗糙。）

试题赏析：本题着重考查学生实验设计能力，适宜在新的情景下进行。如果所设置的问题情境不是新的，而是重复课本上的现成实验，那它所能考查的仅是记忆或模仿能力，本题是将课本上的实验加以适当改编，从新的角度提出问题，是一道给人以耳目一新的好试题。

设计思路：欲想探究木块和铁块的下表面谁更粗糙，只要保证压力一定时，看谁受到的滑动摩擦力较大。所以设计本实验时有两个方面的关键：一是要采用“控制变量”的方法，必须保证压力一定；二是滑动摩擦力的大小如何测量。对于第一点，一定要避免以下的错误，在实验的过程中忽略了保证压力一定这个重要的前提，而是直接用弹簧测力计分别拉着木块和铁块在水平面上做匀速直线运动，通过两次弹簧测力计的示数的大小直接来比较滑动摩擦力的大小，从而判断木块和铁块的下表面谁更粗糙。这样得到的结论是没有保证压力一定（木块重力小于铁块重力）。对于第二点，只要在保证压力相同的条件下，用弹簧测力计水平匀速拉动木块和铁块（把木块和铁块看成一个整体），根据二力平衡的知识可以知道，此时弹簧测力计的示数就等于物体所受滑动摩擦力的大小。

设计方案：本题是一道过程开放的探究性实验设计题，重在实验设计能力和实验分析能力。关于探究性实验，一般流程如下：提出问题→猜想假设→设计实验方案→实验操作→收集实验数据→分析数据、得出结论→评估及交流。本实验方案可设计为：首先将铁块放在木块上，用弹簧测力计水平匀速拉动木块，记下弹簧测力计的示数；然后将木块放在铁块上，用弹簧测力计水平匀速拉动铁块，记下弹簧测力计的示数，这样前后两种情况下木块和铁块（把木块和铁块看成一个整体）对支持面的压力就保证相同了。最后比较弹簧测力计的示数和的大小，根据和的大小判断木块和铁块的下表面谁更粗糙。

试题亮点：本题考查学生的设计思路和实验的具体操作方法，让学生用设计实验来探究木块和铁块哪个下表面更粗糙。关于摩擦力方面的实验题，一般都是要求学生设计实验说明滑动摩擦力的大小与压力或接触面的粗糙程度有关，而这类试题的考查，学生大多数已经知道影响滑动摩擦力大小的因素是压力和接触面的粗糙程度的结论，所以探究性就显得不够强。而本题是要求学生只利用一个量程满足实验要求的弹簧测力计，进行设计实验比较木块和铁块的下表面谁更粗糙。那么，在只利用弹簧测力计的条件下，如何保证压力一定是两次测量摩擦力大小的关键。如果用弹簧测力计分别拉动木块和铁块在水平桌面运动，比较两次弹簧测力计的示数，进而得到结论，这样在研究摩擦力大小和接触面粗糙程度的关系时，没有保证压力一定（木块重力小于铁块重力），即没有满足“控制变量”的要求，所以本题对学生的思维变通性要求较高。这也正是本题设计的灵活之处和亮点所在。

试题点评：本题注重考查学生的科学思维，命题思路注意联系实际，避免学生死记课本中的条文。同时针对结论的多样性，可能木块的下表面粗糙，也可能铁块的下表面粗糙，学生必须根据现象得到结论，反映了“过程评价”的新思路。值得一提的是，本题还可以通过摩擦力和压力（木块和铁块的总重）的比值来判断木块和铁块的下表面谁更粗糙，摩擦力和压力的比值（以后在高中阶段要学习的物理概念──动摩擦因素）可以反映在压力相同时摩擦力的大小。在初中物理的学习中，比值定义法的应用很常见，例如在做功和时间都不相等时，我们可以通过做功和时间的比值来比较物体做功的快慢（即物体的功率）。同样，在这道探究实验设计题中，学生如果能够在新的情景中，把学过的知识进行迁移并正确解决问题。这符合新课程标准的理念和课程改革的要求，也是我们在物理教学中所倡导的“培养学生的创新思维和实践能力”的具体体现。

这类实验设计开放性试题很容易展示学生个性，所以非常有利于提高学生思维的积极性、开放性、发散性和独创性，对培养学生的创造能力有很大帮助。不难预见，这类开放性试题应该是今后几年中考命题的一个发展方向和热点，将扮演越来越重要的角色，也是一道亮丽的风景线。

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