不同版本教材中“實驗：探究加速度與力、質量的關系”實驗探究方案的對比與思考

李紅偉 李泳杰

（1.廣州市第五中學，廣東 廣州 510240；2.贛南師范大學，江西 贛州 341800）

“實驗：探究加速度與力、質量的關系”是《普通高中物理課程標準（2017年版）》必修課程必修1模塊中“相互作用與運動定律”主題下的內容，課程標準的要求為：通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質量的關系.［1］《普通高中物理課程標準（2017年版）解讀》對課標的解讀為：通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、質量的關系，是指兩個關系：一是在物體質量一定的情況下，探究加速度大小與受力大小的關系；二是在物體受力一定的情況下，探究物體運動的加速度大小跟物體質量的關系.［2］本節實驗是學生必做分組探究實驗.

學習了牛頓第一定律，學生明確了當物體受到的合力不為0時，物體運動狀態發生改變，即物體具有加速度.聯系生活情景，學生容易理解加速度與力、質量間的定性關系，因而本節的教學目標是探究加速度與力、質量間的定量關系.學生在初中探究性學習中已經掌握控制變量法，具備了一定的研究基礎；在之前學生已學習應用圖像法處理實驗數據，為實驗處理數據打下了基礎.實驗涉及力與運動等知識內容，學生進入高中階段第一次接觸多知識、多物理量關系研究，測量物理量多，實驗重復次數多，要通過眾多的數據作出圖像，利用圖像尋找物理規律；實驗整體復雜，思維跨度較大，教師要對學生存在困難和問題有清醒認識，合理設計教學過程，優化探究方案，幫助學生克服困難，解決問題，達成教學目標.

現行5種版本的教材中“實驗：探究加速度與力、質量的關系”內容提供的實驗探究方案，在內容的編排上存在一定的差異，但實驗方案設計方面歸結起來有兩種，即人教版和粵教版為代表的兩種實驗方案.本文就這兩種版本教材提供的實驗探究方案進行對比與思考，總結各版本方案優點，并在此基礎上提出實驗改進方案.

1 兩種實驗探究方案

粵教版教材提供的方案（如圖1）.氣墊導軌上的滑塊在鉤碼拉動下做勻加速直線運動，數字計時器測出滑塊上的遮光條通過光電門1和2的時間間隔Δt1、Δt2，根據v=Δs／Δt，將遮光條通過光電門的平均速度代替滑塊運動的瞬時速度，利用勻變速直線運動的推論v22-v12=2as測量得到滑塊加速度.通過控制變量，探究滑塊質量m一定時，滑塊的加速度a與所受拉力F的關系；探究滑塊所受拉力F一定時，滑塊的加速度a與滑塊質量m的關系.

圖1 粵教版實驗裝置1

人教版教材提供的方案（如圖2）.長木板上的小車在鉤碼拉動下做勻加速直線運動，與小車相連的紙帶通過打點計時器打出點跡，點跡反映小車運動過程中的時間和位移信息，利用勻變速直線運動的推論Δs=a T2測量得到小車加速度.通過控制變量，探究滑塊質量m一定時，滑塊的加速度a與所受拉力F的關系；探究滑塊所受拉力F一定時，滑塊的加速度a與滑塊質量m的關系.

圖2 粵教版實驗裝置

2 兩種實驗探究方案比較

本實驗探究方案的設計必須要考慮的兩個問題：一是研究對象所受拉力測量問題，另外是研究對象運動過程中所受摩擦力影響“消除”問題.兩種版本教材提供的方案都是采用通過滑輪用鉤碼拉車的方式讓小車（滑塊）做勻加速運動，近似認為小車（滑塊）所受拉力等于鉤碼重力，實際鉤碼所受的重力大于細線對小車（滑塊）的拉力，只有滿足鉤碼質量比小車（滑塊）的質量小得多條件，才能近似認為兩者相等.

粵教版教材方案應用氣墊導軌、光電門和數字計時器進行實驗設計，反應靈敏、精度高，現代氣息濃，凸現科學探究能力的培養與信息技術的應用.氣墊導軌是一種現代化的力學實驗儀器，是利用小型氣源將壓縮空氣送入導軌內腔，空氣從導軌表面小孔噴出，滑塊與導軌之間形成很薄的空氣膜，使滑塊與導軌不直接接觸，滑塊在導軌上做近似無阻力的直線運動.這樣就較好地解決了研究對象在運動中所受摩擦力問題.但此實驗方案存在不足，光電門所記錄的只是滑塊通過光電門的時間信息，無法反映滑塊整個運動過程，此實驗方案只是實驗探究的其中一個環節，學生是帶著滑塊是否做勻加速直線運動的疑問來完成實驗的.教材在下一節推導牛頓第二定律前，先利用位移傳感器來彌補與完成對牛頓第二定律的探究過程（如圖3），即通過位移傳感器記錄滑塊運動中位移隨時間的變化情況，由計算機軟件得到各點速度，并做出v-t圖像；圖像是一條傾斜的直線，說明物體做勻加速直線運動，直線斜率代表物體加速度的大小.粵教版教材提供的方案首先反映出來的是探究環節多，探究分散在不同教學課時的問題；其次探究過程中涉及的現代儀器多，氣墊導軌、光電門、數字計時器、位移傳感器、數據采集器及計算機等，信息量大，學生不能夠很好理解儀器的原理，不能夠很好地掌握儀器的使用，不符合學生的認知規律，也不符合學生的實際接受能力；最后在利用位移傳感器、數據采集器及計算機驗證滑塊做勻加速直線運動，從數據采集、到數據處理、到圖像呈現，都是一個“隱性”的處理過程，教學過程中給人的感受是教師演示講解一番后，直接告訴學生結論：滑塊在做勻加速直線運動；因此在實際教學中，做與不做、教與不教，對學生實驗能力的提高，學科素養的提升，都不會起到實質性影響.

圖3 粵教版實驗裝置2

人教版教材方案應用打點計時器進行實驗設計，承接性好，成本低，配備和使用較普遍，凸現科學探究能力的培養與重要儀器的掌握使用.方案采取平衡法來消除摩擦力對實驗產生的影響；即實驗前，不要將懸掛小盤的細繩系在小車上，不要給小車任何牽引力，適當墊高遠離滑輪一側，讓小車掛著紙帶，輕推小車自由運動；若打點計時器打出紙帶點跡間隔均勻，則小車做勻速運動，重力分力mgsinθ與摩擦力相互平衡抵消，從而認為小車受到的合外力等于小車受到細繩的拉力.實驗時，紙帶與小車相連，紙帶上留下的點跡記錄小車運動中的位移和時間信息，通過這些信息，可以知道小車的運動情況，若s1-s2=s3-s2=…=Δs，即相鄰相等時間間隔位移差相同，判斷出小車做勻變速直線運動；同時利用Δs=aT2可以測得小車加速度值.打點計時器是力學的重要儀器，掌握打點計時器的原理使用與紙帶的處理問題是高中物理的一個難點.為突破這個難點，人教版教材沒有一步到位，而是采用循序漸進的策略，這樣處理更符合學生的認知規律，更符合學生的實際接受能力.教材在第一章學習“時間、位移”介紹了打點計時器，明確打點計時器打出的紙帶上記錄了物體運動中的位移和時間信息；第2章第1節“實驗：探究小車速度隨時間變化的規律”中涉及打點計時器的使用和利用紙帶測量小車的瞬時速度；在第2章“自由落體運動”中利用紙帶測量重物下落的加速度；在本節利用打點計時器探究加速度與力、質量的關系，學生對儀器不存在“陌生感”，降低了探究實驗的難度，有助于學生突破實驗難點，有助于學生順利完成探究任務.當然，此方案在實驗前要平衡摩擦力，增加了學生認知和實驗操作難度；同時在處理摩擦力問題上存在值得商榷的地方，即能否可以將小車所受的滾動摩擦力當作滑動摩擦力處理.

3 實驗探究方案優化

從上面分析可知，粵教版方案很好解決了研究對象運動中所受摩擦力問題，人教版方案與學生認知規律相適應，筆者綜合兩方案優點，優化設計方案（如圖4）.在人教版方案基礎上，將長木板換成氣墊導軌，小車換成滑塊；這樣不僅省略了平衡摩擦力實驗環節，同時通過使用打點計時器得到紙帶，強化掌握打點計時器的原理使用及紙帶的處理.由于滑塊幾乎不受阻力 作用，故給滑塊很小的拉力作用，滑塊將獲得很大的加速度.將鉤碼改為質量更小的小鐵夾，改變小鐵夾個數達到改變滑塊拉力大小的目的；小鐵夾質量很小，很好地滿足了小鐵夾質量比滑塊質量小得多的條件，減小了系統誤差，較好地符合實驗探究目的與要求.