“探究加速度力與質(zhì)量的關(guān)系”實驗的教學(xué)方案

張紹榮

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗既是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容和環(huán)節(jié)，也是物理教學(xué)的方法和手段，實驗可以激發(fā)學(xué)生的興趣，更重要的是能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和人文品格.筆者結(jié)合本實驗教學(xué)中遇到的幾個問題，進行以下的幾點思考.

一、課題引入要說明設(shè)計實驗的必要性

這節(jié)內(nèi)容在教材中的位于牛頓第二定律之前，牛頓第一定律之后.既為學(xué)習(xí)牛頓第二定律做鋪墊，也是牛頓第一定律的進一步拓展和升華.教師在這節(jié)課引入時，應(yīng)該理清這里的承前啟后關(guān)系，說明為什么要進行這個實驗.

具體可以這樣引入.通過回顧牛頓第一定律知道,一、力是改變物體運動狀態(tài)的原因；二、質(zhì)量決定物體運動狀態(tài)改變的難易程度.然后舉實例（比如汽車啟動），把語言敘述轉(zhuǎn)化為物理量之間的關(guān)系：力是產(chǎn)生加速度的原因，加速度的大小與質(zhì)量有關(guān).通過這樣的引導(dǎo)猜想加速度與哪些因素有關(guān)，（模仿伽利略猜想與邏輯推理的科學(xué)研究方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).）再回歸實例體會探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的必要性.

二、通過問題串設(shè)計理解實驗方案的合理性

本節(jié)實驗由以前教材的驗證性實驗改為現(xiàn)在的探究性實驗，要求實驗方案在教師的引導(dǎo)下學(xué)生自己設(shè)計.（一方面加強學(xué)生對實驗方案的理解，另一方面教給學(xué)生科學(xué)探究方法）教師可通過問題串的設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗.

問題1，要測量加速度、質(zhì)量、力需要哪些器材？

學(xué)生會不假思索的回答：

加速度——打點計時器、紙帶等；質(zhì)量——天平、臺秤；力——彈簧測力計

問題2，能否把實驗裝置圖畫出來？

大多數(shù)學(xué)生立刻畫出裝置圖1，

問題3，這樣的方案實施起來會有哪些問題？如何解決？

學(xué)生通過手邊的器材經(jīng)過試驗，會討論得出小車所受的拉力不好控制為恒力（恒力作用下小車才能做勻加速運動，加速度和力才好測量）.接著部分同學(xué)通過實驗桌上器材的啟發(fā)能把實驗裝置換成圖2.

問題4,這樣就可以了嗎？還有沒有問題？

分組討論，小組代表發(fā)言，小車運動過程中還受到阻力，并且阻力不好測量，導(dǎo)致小車所受的合力不好確定.

問題5,能否把阻力消除掉？應(yīng)該怎么做就可以了？

師生共同討論，阻力不可能被消除，只能效果上等于沒有.我們可以把長木板一端墊高，用重力沿斜面向下的分力平衡小車所受的阻力.如圖3.

問題6,怎樣確定阻力被恰好平衡？該如何操作？

學(xué)生結(jié)合實驗通過桌上的器材，討論后可以說出，把砝碼和砝碼盤撤去，然后輕推小車，通過紙帶上的點跡是否均勻分布來判斷小車是否做勻速直線運動.

實驗過程結(jié)束之后再追加一個問題：改變小車的質(zhì)量是否需要重新平衡摩擦力？

對這個問題上很多老師是通過Mgsinθ=μMgcosθ的呈現(xiàn)，讓學(xué)生理解不需要重新平衡摩擦力.寫出這個等式的前提是把小車的阻力都看成是滑動摩擦力，而小車與木板之間是滾動摩擦，且紙帶與打點計時器之間也有摩擦，小車質(zhì)量發(fā)生變化也可能引起紙帶與打點計時器間摩擦力的變化.這樣考慮起來很復(fù)雜.學(xué)生經(jīng)過實驗的實際操作，知道本實驗的裝置穩(wěn)定性不是很好，無論怎樣不可能恰好把摩擦力平衡掉，所以改變小車質(zhì)量，無需再次平衡摩擦力.

三、怎樣快速處理數(shù)據(jù)

1.事先設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表

學(xué)生實驗前設(shè)計好表格也是課堂教學(xué)重要的一環(huán)，通過細心的觀察了解到，學(xué)生先把主要精力放到實驗方案的設(shè)計上，到進行實驗時反而不知實驗?zāi)康闹饕鞘裁?，所以方案設(shè)計好以后讓學(xué)生自己設(shè)計實驗數(shù)據(jù)的記錄表.

實驗次數(shù)12345

F(N)

a(m/s2)

實驗次數(shù)12345

F(N)

a(m/s2)

2.快速算出加速度

通過打出的紙帶計算小車運動的加速度不是本節(jié)課的重點，這個知識在課本第二章學(xué)習(xí)了，但是很多學(xué)生雖然會算但方法不一速度較慢，給整節(jié)課的進度帶來一定的干擾，這是不必要的.教師再前面課程中肯定都講過通過紙帶求加速度的較準確的一種方法——逐差法，但學(xué)生用起來嫌煩，而且計算慢且容易出錯.其實可以把逐差法等效為把紙帶上的位移數(shù)據(jù)段一分為二，用Δx=aT2一步解決.

例如：a=(x3+x4)-(x1+x2)(2T)2

3.如何有效描點作圖

很多教師在PPT中插入Excel，每輸入一組數(shù)據(jù)圖像就自動生成，也有很多教師對此做法大加贊賞，原因是這樣新奇.應(yīng)靜下心來想想，這樣雖然省事，但忽略了學(xué)生得出規(guī)律的探究過程.如果不把Excel插入PPT而是直接在Excel中，插入xy散點圖，把表格中的數(shù)據(jù)線描點，然后讓學(xué)生觀察規(guī)律，再用直線或光滑曲線擬合，這樣更能體現(xiàn)學(xué)生探究規(guī)律的過程.

四、通過誤差分析感受實驗的嚴謹性

以理解，可以在后續(xù)課程中慢慢滲透或留給學(xué)生課后探究，不可急于一時灌給學(xué)生.一方面增加學(xué)生負擔和學(xué)習(xí)的疲勞感；另一方面講了能完全理解的學(xué)生很少.所以可在這一節(jié)習(xí)題上一起總結(jié)：這四幅圖主要是由于本節(jié)實驗方案的不完善帶來的系統(tǒng)誤差，一是繩子上拉力不等于砝碼與砝碼盤的重力，而是小車所受阻力不容易恰到好處的完全被平衡.甲乙兩個圖像是平衡摩擦力過了或平衡摩擦力不夠?qū)е碌?丙丁兩個圖像彎曲部分是由于不滿足砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量遠遠小于小車的質(zhì)量導(dǎo)致的.

本實驗對于初上高中的學(xué)生來說，有一定難度.教師在實驗過程中一定要先讓學(xué)生自主探究，讓實驗的知識點和方法在學(xué)生的親身體驗中自動生成.教師要對實驗要點難點進行適時的恰到好處的點評和總結(jié).

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗既是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容和環(huán)節(jié)，也是物理教學(xué)的方法和手段，實驗可以激發(fā)學(xué)生的興趣，更重要的是能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和人文品格.筆者結(jié)合本實驗教學(xué)中遇到的幾個問題，進行以下的幾點思考.

一、課題引入要說明設(shè)計實驗的必要性

這節(jié)內(nèi)容在教材中的位于牛頓第二定律之前，牛頓第一定律之后.既為學(xué)習(xí)牛頓第二定律做鋪墊，也是牛頓第一定律的進一步拓展和升華.教師在這節(jié)課引入時，應(yīng)該理清這里的承前啟后關(guān)系，說明為什么要進行這個實驗.

具體可以這樣引入.通過回顧牛頓第一定律知道,一、力是改變物體運動狀態(tài)的原因；二、質(zhì)量決定物體運動狀態(tài)改變的難易程度.然后舉實例（比如汽車啟動），把語言敘述轉(zhuǎn)化為物理量之間的關(guān)系：力是產(chǎn)生加速度的原因，加速度的大小與質(zhì)量有關(guān).通過這樣的引導(dǎo)猜想加速度與哪些因素有關(guān)，（模仿伽利略猜想與邏輯推理的科學(xué)研究方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).）再回歸實例體會探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的必要性.

二、通過問題串設(shè)計理解實驗方案的合理性

本節(jié)實驗由以前教材的驗證性實驗改為現(xiàn)在的探究性實驗，要求實驗方案在教師的引導(dǎo)下學(xué)生自己設(shè)計.（一方面加強學(xué)生對實驗方案的理解，另一方面教給學(xué)生科學(xué)探究方法）教師可通過問題串的設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗.

問題1，要測量加速度、質(zhì)量、力需要哪些器材？

學(xué)生會不假思索的回答：

加速度——打點計時器、紙帶等；質(zhì)量——天平、臺秤；力——彈簧測力計

問題2，能否把實驗裝置圖畫出來？

大多數(shù)學(xué)生立刻畫出裝置圖1，

問題3，這樣的方案實施起來會有哪些問題？如何解決？

學(xué)生通過手邊的器材經(jīng)過試驗，會討論得出小車所受的拉力不好控制為恒力（恒力作用下小車才能做勻加速運動，加速度和力才好測量）.接著部分同學(xué)通過實驗桌上器材的啟發(fā)能把實驗裝置換成圖2.

問題4,這樣就可以了嗎？還有沒有問題？

分組討論，小組代表發(fā)言，小車運動過程中還受到阻力，并且阻力不好測量，導(dǎo)致小車所受的合力不好確定.

問題5,能否把阻力消除掉？應(yīng)該怎么做就可以了？

師生共同討論，阻力不可能被消除，只能效果上等于沒有.我們可以把長木板一端墊高，用重力沿斜面向下的分力平衡小車所受的阻力.如圖3.

問題6,怎樣確定阻力被恰好平衡？該如何操作？

學(xué)生結(jié)合實驗通過桌上的器材，討論后可以說出，把砝碼和砝碼盤撤去，然后輕推小車，通過紙帶上的點跡是否均勻分布來判斷小車是否做勻速直線運動.

實驗過程結(jié)束之后再追加一個問題：改變小車的質(zhì)量是否需要重新平衡摩擦力？

對這個問題上很多老師是通過Mgsinθ=μMgcosθ的呈現(xiàn)，讓學(xué)生理解不需要重新平衡摩擦力.寫出這個等式的前提是把小車的阻力都看成是滑動摩擦力，而小車與木板之間是滾動摩擦，且紙帶與打點計時器之間也有摩擦，小車質(zhì)量發(fā)生變化也可能引起紙帶與打點計時器間摩擦力的變化.這樣考慮起來很復(fù)雜.學(xué)生經(jīng)過實驗的實際操作，知道本實驗的裝置穩(wěn)定性不是很好，無論怎樣不可能恰好把摩擦力平衡掉，所以改變小車質(zhì)量，無需再次平衡摩擦力.

三、怎樣快速處理數(shù)據(jù)

1.事先設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表

學(xué)生實驗前設(shè)計好表格也是課堂教學(xué)重要的一環(huán)，通過細心的觀察了解到，學(xué)生先把主要精力放到實驗方案的設(shè)計上，到進行實驗時反而不知實驗?zāi)康闹饕鞘裁矗苑桨冈O(shè)計好以后讓學(xué)生自己設(shè)計實驗數(shù)據(jù)的記錄表.

實驗次數(shù)12345

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實驗次數(shù)12345

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2.快速算出加速度

通過打出的紙帶計算小車運動的加速度不是本節(jié)課的重點，這個知識在課本第二章學(xué)習(xí)了，但是很多學(xué)生雖然會算但方法不一速度較慢，給整節(jié)課的進度帶來一定的干擾，這是不必要的.教師再前面課程中肯定都講過通過紙帶求加速度的較準確的一種方法——逐差法，但學(xué)生用起來嫌煩，而且計算慢且容易出錯.其實可以把逐差法等效為把紙帶上的位移數(shù)據(jù)段一分為二，用Δx=aT2一步解決.

例如：a=(x3+x4)-(x1+x2)(2T)2

3.如何有效描點作圖

很多教師在PPT中插入Excel，每輸入一組數(shù)據(jù)圖像就自動生成，也有很多教師對此做法大加贊賞，原因是這樣新奇.應(yīng)靜下心來想想，這樣雖然省事，但忽略了學(xué)生得出規(guī)律的探究過程.如果不把Excel插入PPT而是直接在Excel中，插入xy散點圖，把表格中的數(shù)據(jù)線描點，然后讓學(xué)生觀察規(guī)律，再用直線或光滑曲線擬合，這樣更能體現(xiàn)學(xué)生探究規(guī)律的過程.

四、通過誤差分析感受實驗的嚴謹性

以理解，可以在后續(xù)課程中慢慢滲透或留給學(xué)生課后探究，不可急于一時灌給學(xué)生.一方面增加學(xué)生負擔和學(xué)習(xí)的疲勞感；另一方面講了能完全理解的學(xué)生很少.所以可在這一節(jié)習(xí)題上一起總結(jié)：這四幅圖主要是由于本節(jié)實驗方案的不完善帶來的系統(tǒng)誤差，一是繩子上拉力不等于砝碼與砝碼盤的重力，而是小車所受阻力不容易恰到好處的完全被平衡.甲乙兩個圖像是平衡摩擦力過了或平衡摩擦力不夠?qū)е碌?丙丁兩個圖像彎曲部分是由于不滿足砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量遠遠小于小車的質(zhì)量導(dǎo)致的.

本實驗對于初上高中的學(xué)生來說，有一定難度.教師在實驗過程中一定要先讓學(xué)生自主探究，讓實驗的知識點和方法在學(xué)生的親身體驗中自動生成.教師要對實驗要點難點進行適時的恰到好處的點評和總結(jié).

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗既是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容和環(huán)節(jié)，也是物理教學(xué)的方法和手段，實驗可以激發(fā)學(xué)生的興趣，更重要的是能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和人文品格.筆者結(jié)合本實驗教學(xué)中遇到的幾個問題，進行以下的幾點思考.

一、課題引入要說明設(shè)計實驗的必要性

這節(jié)內(nèi)容在教材中的位于牛頓第二定律之前，牛頓第一定律之后.既為學(xué)習(xí)牛頓第二定律做鋪墊，也是牛頓第一定律的進一步拓展和升華.教師在這節(jié)課引入時，應(yīng)該理清這里的承前啟后關(guān)系，說明為什么要進行這個實驗.

具體可以這樣引入.通過回顧牛頓第一定律知道,一、力是改變物體運動狀態(tài)的原因；二、質(zhì)量決定物體運動狀態(tài)改變的難易程度.然后舉實例（比如汽車啟動），把語言敘述轉(zhuǎn)化為物理量之間的關(guān)系：力是產(chǎn)生加速度的原因，加速度的大小與質(zhì)量有關(guān).通過這樣的引導(dǎo)猜想加速度與哪些因素有關(guān)，（模仿伽利略猜想與邏輯推理的科學(xué)研究方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).）再回歸實例體會探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的必要性.

二、通過問題串設(shè)計理解實驗方案的合理性

本節(jié)實驗由以前教材的驗證性實驗改為現(xiàn)在的探究性實驗，要求實驗方案在教師的引導(dǎo)下學(xué)生自己設(shè)計.（一方面加強學(xué)生對實驗方案的理解，另一方面教給學(xué)生科學(xué)探究方法）教師可通過問題串的設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗.

問題1，要測量加速度、質(zhì)量、力需要哪些器材？

學(xué)生會不假思索的回答：

加速度——打點計時器、紙帶等；質(zhì)量——天平、臺秤；力——彈簧測力計

問題2，能否把實驗裝置圖畫出來？

大多數(shù)學(xué)生立刻畫出裝置圖1，

問題3，這樣的方案實施起來會有哪些問題？如何解決？

學(xué)生通過手邊的器材經(jīng)過試驗，會討論得出小車所受的拉力不好控制為恒力（恒力作用下小車才能做勻加速運動，加速度和力才好測量）.接著部分同學(xué)通過實驗桌上器材的啟發(fā)能把實驗裝置換成圖2.

問題4,這樣就可以了嗎？還有沒有問題？

分組討論，小組代表發(fā)言，小車運動過程中還受到阻力，并且阻力不好測量，導(dǎo)致小車所受的合力不好確定.

問題5,能否把阻力消除掉？應(yīng)該怎么做就可以了？

師生共同討論，阻力不可能被消除，只能效果上等于沒有.我們可以把長木板一端墊高，用重力沿斜面向下的分力平衡小車所受的阻力.如圖3.

問題6,怎樣確定阻力被恰好平衡？該如何操作？

學(xué)生結(jié)合實驗通過桌上的器材，討論后可以說出，把砝碼和砝碼盤撤去，然后輕推小車，通過紙帶上的點跡是否均勻分布來判斷小車是否做勻速直線運動.

實驗過程結(jié)束之后再追加一個問題：改變小車的質(zhì)量是否需要重新平衡摩擦力？

對這個問題上很多老師是通過Mgsinθ=μMgcosθ的呈現(xiàn)，讓學(xué)生理解不需要重新平衡摩擦力.寫出這個等式的前提是把小車的阻力都看成是滑動摩擦力，而小車與木板之間是滾動摩擦，且紙帶與打點計時器之間也有摩擦，小車質(zhì)量發(fā)生變化也可能引起紙帶與打點計時器間摩擦力的變化.這樣考慮起來很復(fù)雜.學(xué)生經(jīng)過實驗的實際操作，知道本實驗的裝置穩(wěn)定性不是很好，無論怎樣不可能恰好把摩擦力平衡掉，所以改變小車質(zhì)量，無需再次平衡摩擦力.

三、怎樣快速處理數(shù)據(jù)

1.事先設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表

學(xué)生實驗前設(shè)計好表格也是課堂教學(xué)重要的一環(huán)，通過細心的觀察了解到，學(xué)生先把主要精力放到實驗方案的設(shè)計上，到進行實驗時反而不知實驗?zāi)康闹饕鞘裁?，所以方案設(shè)計好以后讓學(xué)生自己設(shè)計實驗數(shù)據(jù)的記錄表.

實驗次數(shù)12345

F(N)

a(m/s2)

實驗次數(shù)12345

F(N)

a(m/s2)

2.快速算出加速度

通過打出的紙帶計算小車運動的加速度不是本節(jié)課的重點，這個知識在課本第二章學(xué)習(xí)了，但是很多學(xué)生雖然會算但方法不一速度較慢，給整節(jié)課的進度帶來一定的干擾，這是不必要的.教師再前面課程中肯定都講過通過紙帶求加速度的較準確的一種方法——逐差法，但學(xué)生用起來嫌煩，而且計算慢且容易出錯.其實可以把逐差法等效為把紙帶上的位移數(shù)據(jù)段一分為二，用Δx=aT2一步解決.

例如：a=(x3+x4)-(x1+x2)(2T)2

3.如何有效描點作圖

很多教師在PPT中插入Excel，每輸入一組數(shù)據(jù)圖像就自動生成，也有很多教師對此做法大加贊賞，原因是這樣新奇.應(yīng)靜下心來想想，這樣雖然省事，但忽略了學(xué)生得出規(guī)律的探究過程.如果不把Excel插入PPT而是直接在Excel中，插入xy散點圖，把表格中的數(shù)據(jù)線描點，然后讓學(xué)生觀察規(guī)律，再用直線或光滑曲線擬合，這樣更能體現(xiàn)學(xué)生探究規(guī)律的過程.

四、通過誤差分析感受實驗的嚴謹性

以理解，可以在后續(xù)課程中慢慢滲透或留給學(xué)生課后探究，不可急于一時灌給學(xué)生.一方面增加學(xué)生負擔和學(xué)習(xí)的疲勞感；另一方面講了能完全理解的學(xué)生很少.所以可在這一節(jié)習(xí)題上一起總結(jié)：這四幅圖主要是由于本節(jié)實驗方案的不完善帶來的系統(tǒng)誤差，一是繩子上拉力不等于砝碼與砝碼盤的重力，而是小車所受阻力不容易恰到好處的完全被平衡.甲乙兩個圖像是平衡摩擦力過了或平衡摩擦力不夠?qū)е碌?丙丁兩個圖像彎曲部分是由于不滿足砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量遠遠小于小車的質(zhì)量導(dǎo)致的.

本實驗對于初上高中的學(xué)生來說，有一定難度.教師在實驗過程中一定要先讓學(xué)生自主探究，讓實驗的知識點和方法在學(xué)生的親身體驗中自動生成.教師要對實驗要點難點進行適時的恰到好處的點評和總結(jié).