2018年高中物理 第三章 相互作用 3.4 力的合成 探究合力与分力的关系素材 新人教版必修1.docVIP

探究合力与分力的关系 ?实验探究之可能性 新课程把“探究式学习”提高到非常高的高度，甚至有人认为这是物理学习的唯一正确的方式。于是新教材上把原来的一些验证性实验改成了探究性实验，目标自然是要让学生去探究，从中体验科学探索的乐趣，继而激发兴趣，学习方法，提高能力，形成科学素养，培养科学精神，云云。探究性实验真的有如此功效吗？我们以“探究分力与合力的关系”为例，来讨论一下这个问题。 实证精神，是科学精神最重要的方面之一。物理学以实验为基础，注重实验依据，正是这种实证精神的具体体现。所谓实验可以推翻理论，而理论永远不可能推翻实验，是也。可见物理实验在物理学中不可撼动的地位。 经典物理学以其严格、精确而被称道。物理实验以严密、准确作为其追求的目标，从现象到理论，必须具备逻辑上的严密；从数据到结论，必须具备数学上的准确。实验不可避免地带来误差，误差的存在肯定会有损于物理学的严密性和准确性。所以，物理学的发展在某种程度上依赖于实验仪器的精密度，物理学的进步也与实验技术的提高密切相关。 中学实验室的器材一般都是比较简单，精度也很低，实验误差较大也就不可避免。利用这样器材，是否能够通过“实验探究”来得出正确的结论，并让学生体验到物理学追求严谨、准确的实证精神，我看未必。 比如学生在进行“探究分力与合力关系”实验时，教材上提示学生“用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接”起来看看。意思是学生这样一连，或许就能看到一个平行四边形，从而得出结论。 实际上，不论学生多么认真仔细地进行实验，他们都不可能得到一个严格的平行四边形。当然，虽然每次都不是平行四边形，学生仍然就会很容易地得出平行四边形定则。原因之一是他们已经从书上看到了平行四边形定则的内容，知道这个结论（所以实际上并不是真正的探究）；原因之二是学生知道，凡实验都是有误差的，所以他们知道对实验结果是不能太苛刻的，只要有点象平行四边形就行了。 但这是很成问题的，为什么每次都不是平行四边形，还能够得出“平行四边形定则”这样的结论，这难道是一句“因为误差”就可以蒙混过去的吗？如果对实验数据的偏差统统用“因为误差”来搪塞，那物理学的严谨和准确又体现在哪里？经典物理学的严格、精确的最大特色（即后人认为的机械论特色）体现在哪里？实证精神体现在哪里？（有极端者认为，物理理论永远不能用实验来验证，原因也在于此吧。） 实际上，物理学对实验数据的要求是非常苛刻的，不允许有半点含糊。如果实验数据的偏差都用“因为误差”四个字来搪塞，物理学也不会有今天的发展。物理学上很多重要的发现和发展，都是源于对实验数据中出现的极小偏差的追究（比如开普勒否定行星圆轨道而提出椭圆轨道、水星进动的研究和相对论理论的被认可）。 其实，物理实验的误差与物理学的严密、准确并不矛盾，有误差只是不精确，不等于不准确。在有误差的情况下追求准确，就必须通过误差分析。 在“探究分力与合力关系”实验中，理想的结论就是分力与合力的矢量图是一个平行四边形，如下图。 　　　　　　　　　 但哪怕再精密的仪器，都存在误差，都不能得到上面这个图。因为实际测得的分力，合力的大小、方向都不是真实值。 下面我们假设力的测量只存在大小上的误差，来对这个实验进行误差分析。 实验有误差，也就是我们通过测量，只能得到一个真实值的范围。通过多次测量，可以确定实验中可能存在的误差的大小（这个受限于实验仪器和操作者的技术），据此，我们可以确定真实值的可能范围。 如下图所示，假设F1、F2为分力的测量值，根据可能存在的误差，可确定F1的真实值就是在F1′、F1〞之间，F2的真实值就是在F2′、F2〞之间。然后分别以F1′和F2′、F1′和F2〞、F1〞和F2′、F1〞和F2〞为邻力，可以作出四个平行四边形，这样得到一个理论上合力测量值的范围：合力F的箭头末端应该在下图右上角的黄色区域内。 　　　　　　　　　　 考虑到合力的测量也同样存在误差，这个范围还要进一步扩大……但最终我们总能确定这个合力测量值的范围。如果我们测得的合力在这个范围之内，就证明平行四边形定则是成立的，如果我们测得的合力在这个范围之外，就说明平行四边形定则不成立。 更严格的分析，还要考虑每次测得的合力的分布情况。如果进行多次实验，所有实验结果在上述区域内呈正态分布，则说明平行四边形定则成立；如果不是正态分布，则有两种可能，一是实验存在系统误差，二是平行四边形定则不成立。这就是为什么要通过多次测量去验证一个物理规律的原因。 当然，作为高中阶段，不可能要求学生进行如此严格的误差分析（以上只是泛泛而谈，真正进行误差分析，计算量很大，并在数学上有很高的要求）。但不进行这样的误差分析，物理学的严密性和准确性就得不到体现，所谓忠实于事实的实证精神也无从体现。 在不进行误差分析的情况下，要“让学生体验科学探究的过程”，并从中体验