關于“加速度與力、質量關系”的探究式實驗設計

方武增

(廣東省揭陽市惠來慈云實驗中學,廣東　揭陽　515200)

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關于“加速度與力、質量關系”的探究式實驗設計

方武增

(廣東省揭陽市惠來慈云實驗中學,廣東揭陽515200)

筆者根據探究式教學要求，設計了“研究加速度與力、質量關系”的教學方案，并付諸教學實踐，取得較好的教學效果.

實驗探究;教學方案；教學設計

相比傳統的教學方式,探究式教學不僅能使學生學到知識,更能使學生的能力得到提高.筆者根據探究式教學要求，設計了“研究加速度與力、質量關系”的教學方案.

1　教學目標

(1) 知識與技能

① 掌握定量探究加速度與物體所受合外力、物體質量之間關系的方法,并能實際操作、處理實驗數據;

② 了解氣墊導軌減小摩擦的原理和光電門、數字計時器在實驗中發揮的作用.

(2) 過程與方法

① 能從記錄實驗數據的表格中分析加速度與合外力以及加速度與物體質量的關系;

② 經歷用圖像描繪實驗結果的過程,了解如何從圖像中發現物理規律.

(3) 情感態度與價值觀

① 經歷定性、定量研究過程,培養學生執著追求真理的科學精神;

② 通過實驗探究激發學生的求知欲和創新精神,并培養與人合作的團隊精神.

2　教學重、難點

重點:經歷實驗探究的全過程,體會科學探究的整體思路、方法.

難點:從實驗數據中分析加速度與合外力以及加速度與物體質量的關系;從圖像中發現物理規律.

3　教學過程

3.1導入

創設問題情境,利用多媒體投影圖1.

圖1

師:(復習上一節課的內容)如圖1所示，當物體質量一定而力不相同時，物體加速度有什么不同?力大小相同,作用在不同質量的物體上,物體加速度又有什么不同?

教師在課堂教學中,要想方設法培養和激發學生的探究欲望,使學生處于一種探究的沖動之中,學生在強烈的探究欲望之下會積極主動地去想、去做.

生:當物體質量一定時,物體的加速度應該隨著力的增大而增大,當力大小相同時,物體質量越大,運動狀態越難改變,所以質量越大,加速度越小.

師:很好,那么我們如何把各物理量用精確的數量關系表達出來？

3.2推進新課

師:為了盡量減小小車與斜面之間摩擦力的影響,同學們來想一想,我們應該用什么儀器？

生:氣墊導軌(如圖2).

圖2

3.2.1了解實驗儀器

師:氣墊導軌為何能減小摩擦？

生:從氣孔噴出的氣流在導軌與滑塊間形成氣墊,從而減小摩擦(如圖3).

圖3

師:為了使時間測量誤差盡可能小,所以采用了數字計時器和光電門作為計時裝置.

教師一邊讓學生觀察實驗儀器，一邊介紹儀器的原理及使用方法.利用多媒體投影出問題：(1)數字計時器顯示的是哪個物理量的數值？

(2) 數字計時器有幾種計時方法？現在我們使用的是哪一種方法？

(3) 如何計算滑塊通過光電門的速度？

3.2.2設計實驗方案

教師引導學生設計實驗，研究加速度與質量、合外力的關系,明確其實驗原理,并設計表格記錄數據.設計完成后,同學之間進行交流，教師要給學生多維互動的交流空間，在合作交流中使學生的思維得到完善和升華，實驗步驟如下：

(2)保持滑塊質量不變,改變滑塊所受的合外力,探究加速度與滑塊所受的合外力之間的定量關系,滑塊在鉤碼拉力的作用下做加速運動,由于氣墊導軌的摩擦可以忽略,則滑塊受到的合外力等于繩子的拉力,而拉力約等于鉤碼所受重力,即滑塊受到的合外力約等于鉤碼所受重力,通過改變鉤碼的重量,即可以改變滑塊所受到的合外力.實驗中需測量滑塊質量M、遮光條寬度L和兩光電門間的距離s，設計表格如表1所示.

表1　改變鉤碼的重量

(3) 保持滑塊所受的合外力不變,改變滑塊的質量,探究加速度與質量的定量關系.保持鉤碼的質量不變,即保持滑塊所受的合外力不變,通過改變加在滑塊上的配重塊的質量來改變滑塊的質量.實驗中需測量鉤碼質量m、滑塊受到的合外力F、遮光條的寬度L和兩光電門間的距離s，設計表格如表2所示.

表2　改變滑塊的質量

3.2.3實驗過程

教師請一部分同學到講臺上做實驗,其他同學一起記錄好實驗數據.在實驗教學中,培養學生互助的品質,學生是活動的主體,教師不能代替.

生1:實驗時,首先要調節氣墊導軌的水平.使滑塊能停在二光電門的中間處,然后把滑塊從軌道的左端輕推一下,使通過二光電門的時間盡量接近,即可認為導軌已調水平了.

生2:用游標卡尺測量遮光條的寬度L,用米尺測出二光電門之間的距離s,用天平稱量滑塊的質量、配重塊的質量、鉤碼的質量,做好記錄.

生3:把數字計時器調到ms擋,將細線的一端系在滑塊上,另一端繞過滑輪后掛一鉤碼,另外將配重塊放在滑塊上.將滑塊置于第一光電門外側,松開滑塊,分別測出滑塊通過二光電門的時間t1和t2,并作好記錄.

生4:保持滑塊的質量不變,逐次增加鉤碼的質量.重復上述測量并作好記錄.

生5:保持鉤碼的質量不變,即保持滑塊的合外力不變,逐次在滑塊上增加配置塊.重復上述步驟1、2、3.測量并做好記錄.

觀察是科學探究的基礎,是提出問題獲得證據或數據的來源.在觀察到現象后及時作記錄,這是科學研究的最基本方法.

3.2.4處理實驗數據，得出結論

生1:對于表1,我們要研究滑塊質量不變時的加速度與合外力的關系,可以關注Fa、F/a、F/a2等等,以探究加速度與合外力的定量關系(如表3).

表3　滑塊質量不變時加速度與合外力的定量關系

師:我們可以通過這樣的方式得出加速度與合外力的關系.

將數據及公式輸入Excel里得到數據，信息技術應用于教學過程,可增強學生學習的主動性和靈活性,培養學生自主探究、主動獲取知識的能力,實現學習方式的多樣化.

生:F/a在誤差允許范圍內是一個常數,說明了在物體質量一定的情況下,加速度與合外力成正比.

教師:對于表2,我們同樣可以用這種方法,如表4所示，將數據及公式輸入Excel里得到數據.

表4　滑塊質量改變時加速度與質量的定量關系

學:Ma在誤差允許范圍內是一個常數,說明了物體在合外力一定時,加速度與質量成反比.

師:非常好,接下來我們來看看教材中P84的“討論與交流2”:針對鉤碼所受重力不完全等于滑塊拉力的問題,同學們有什么解決方案？

生:加速度越大,鉤碼所受重力與滑塊的拉力差別也會越大.要將鉤碼所受重力近似看做是滑塊所受拉力,實驗過程中物體的加速度不應太大.由于合力越小,質量越大,加速度就越小,我們可以通過減少鉤碼的質量,增大滑塊質量來控制加速度.

師:建立坐標系,用縱坐標表示物體的加速度,用橫坐標分別表示物體所受的合力和物體質量的倒數,根據表3和表4中的實驗數據,在圖中描出相應的實驗數據點.同學們描繪出來的是怎樣的？

生:近似一條直線.

師:觀察各數據點,看描出的點近似地在一條直線上.但考慮到實驗有一定的誤差,我們不能直接把數據點連接起來,在誤差許可的范圍內,我們用一條直線盡量靠近這些點,所以同學們作出的實驗圖線是對的.

3.3課堂總結

(1) 用比較精確的方法探究加速度與合外力及質量的關系.

(2) 對得到的實驗數據進行分析的方法.

(3) 物體質量一定時,加速度與合外力成正比;合外力一定時,加速度與質量成反比.

4　總結

在本教學設計中,主要從引導學生進行實驗探究出發,根據教學內容進行教學設計.這樣的教學模式不但突現了科學探究的一系列步驟,還抓住了探究學習的核心和本質,是真正意義上的探究式學習,體現了探究式學習的實質與靈魂.

[1] 程功.試論老師激發學生進行物理探究學習的方法[J].科學時代(綜合版)，2007，(11):23-24.

[2] 吳惟粵.物理優秀教學設計與案例[M].廣州：廣東教育出版社,2005:151-157.