模塊化思想在實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用

羅立輝

摘 要：物理實(shí)驗(yàn)是高中物理一個(gè)很重要的組成部分，其中《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》又是力學(xué)實(shí)驗(yàn)中重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)難度大、原理復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新多、習(xí)題難做，是困擾學(xué)生的一個(gè)難題。

關(guān)鍵詞：加速度與力；質(zhì)量的關(guān)系；模塊化思想；儀器的可替代性；重視實(shí)驗(yàn)原理

中圖分類號(hào)：G622 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002-7661（2016）05-174-02

問題的提出：

《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》是非常重要的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，也是高考實(shí)驗(yàn)考察的重點(diǎn)。通過學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教師的教學(xué)反思、學(xué)生在試卷中《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》相關(guān)題目的得分情況、以及對(duì)學(xué)生的問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對(duì)此實(shí)驗(yàn)有畏難情緒，知道大概怎么回事，但是就是習(xí)題不會(huì)做，創(chuàng)新題看不懂看不透，無從下手。教師也覺得該分組實(shí)驗(yàn)操作難度大、誤差來源多、原理較難、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新多、習(xí)題難做，是困擾學(xué)生的一個(gè)大難題。那么本文重點(diǎn)對(duì)解決上述問題展開研究。

解決方案：模塊化分工、學(xué)習(xí)、探究

一、整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化

在教學(xué)中我們可以把整個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化處理， 首先把實(shí)驗(yàn)分成以下幾個(gè)基本模塊：

模塊1：實(shí)驗(yàn)原理

模塊2：實(shí)驗(yàn)器材和裝置

模塊3：實(shí)驗(yàn)步驟和操作

模塊4：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

在教學(xué)過程中，教師、學(xué)生都知道這些模塊，而且對(duì)模塊2、3、4很重視，但是對(duì)模塊1關(guān)注度不高，我認(rèn)為，這應(yīng)該就是出現(xiàn)上述問題的最大的原因所在！

二、對(duì)“模塊1實(shí)驗(yàn)原理”的進(jìn)一步模塊化

說到《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的實(shí)驗(yàn)原理，很多人都不屑一顧，這還不簡(jiǎn)單：

通過控制變量法，探究加速度和力的是否成正比以及探究加速度和質(zhì)量的倒數(shù)是否成正比。

有這種想法且不做進(jìn)一步的模塊分析，是做不好《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》實(shí)驗(yàn)習(xí)題的關(guān)鍵！

（一）加強(qiáng)模塊1和模塊2、3、4的邏輯關(guān)聯(lián)

忽略對(duì)模塊1實(shí)驗(yàn)原理的進(jìn)一步分析，是割裂模塊2、3、4的做法，其實(shí)模塊1是后

續(xù)模塊的總綱，對(duì)模塊1深入研究，是理解后續(xù)模塊的關(guān)鍵。

（二）如何將“模塊1實(shí)驗(yàn)原理”通過模塊化來深入理解呢？

我們?nèi)?shí)驗(yàn)的第一種情況為例進(jìn)行分析：保持質(zhì)量不變，探究加速度和合力的關(guān)系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)，我們可以把此實(shí)驗(yàn)分解為兩個(gè)模塊：

模塊1.1：測(cè)量研究對(duì)象加速度

模塊1.2：測(cè)量研究對(duì)象合力

將任務(wù)分解，問題顯的更容易，針對(duì)性更強(qiáng)。

首先進(jìn)行模塊1.1的處理。

（一）如何測(cè)量加速度呢，這個(gè)問題學(xué)生就好理解多了，學(xué)習(xí)目的性強(qiáng)。

1、課本常規(guī)模式：通過紙帶+打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的組合，利用逐差法或者v-t圖像的斜率來計(jì)算出加速度。這也是課本采用的方法。通過教學(xué)引導(dǎo)，學(xué)生就可以想像出圖1的模型。

2、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：由運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)聯(lián)系到a與s的關(guān)系，根據(jù)公式利用相同時(shí)間內(nèi)物體通過的位移與加速度成正比。可以設(shè)計(jì)出圖2的模型：

3、高科技器材：小車可以通過速度傳感器、位移傳感器、計(jì)時(shí)器、甚至加速度傳感器直接測(cè)量出加速度的大小。

4、… …（可以引導(dǎo)學(xué)生通過運(yùn)動(dòng)模型或者其它實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行設(shè)計(jì)來測(cè)量加速度，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新。）

（二）接著，對(duì)“模塊1.2測(cè)量合力”深加工：

1、課本傳統(tǒng)做法（間接測(cè)力法）：如圖3，墊高木板一端，使得f、N、G三個(gè)力合力為零，則F為小車的合力，然后當(dāng)m質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí)，F(xiàn)約等mg，測(cè)量m的大小得到合力的大小。

該做法的關(guān)鍵是：平衡摩擦力以及m質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量

2、直接測(cè)力法：墊高木板一端，使得f、N、G三個(gè)力合力為零，則F為小車的合力，然后通過彈簧秤測(cè)出拉力。如圖4。

這個(gè)裝置的關(guān)鍵是：平衡摩擦力就可以了，不需要質(zhì)量遠(yuǎn)小于的關(guān)系。

3、傳感器的應(yīng)用：如圖5，如果在小車的前后，直接使用拉力傳感器，直接測(cè)量出摩擦力和拉力的大小，那是不是連平衡摩擦力都可以不用了呢？或者只用一邊的傳感器，對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求是什么呢？

可見，在這個(gè)模塊中，對(duì)平衡摩擦力和質(zhì)量關(guān)系的理解是學(xué)習(xí)的核心 。

三、“模塊2實(shí)驗(yàn)器材和裝置”進(jìn)一步模塊化

如果學(xué)生能對(duì)每一種常用器材的使用了如指掌，那么在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新時(shí)，就容易選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量工具，從容應(yīng)對(duì)試題中的實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)和測(cè)量讀數(shù)等問題。在教學(xué)中，可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)器材進(jìn)行模塊化，例如：

模塊2.1時(shí)間測(cè)量：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、秒表，運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律算時(shí)間（例如通過自由落體高度算時(shí)間）等。

模塊2.2長(zhǎng)度測(cè)量：直尺、位移傳感器等

……（引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)它們使用的條件、操作注意事項(xiàng)、讀數(shù)等等就可以做一個(gè)總結(jié)歸納，方便理解和記憶。）

在模塊1和模塊2的充分理解的基礎(chǔ)上，模塊3實(shí)驗(yàn)操作步驟就可以按照實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)器材的一些特性來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。

四、對(duì)“模塊4數(shù)據(jù)處理”進(jìn)一步模塊化

高中實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理也是一個(gè)難點(diǎn)，更是?？純?nèi)容，高中物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理最常見的兩類處理方法：

模塊4.1 平均值法（逐差法） 模塊4.2圖像法

（一）模塊4.1 平均值法

1、例如數(shù)據(jù)a1，a2，a3，求平均

2、根據(jù)紙帶上的S1 ……S6

多組數(shù)據(jù)求平均時(shí)，最后被利用的數(shù)據(jù)只有S1和S6，其它的都被約去。

因此，引入逐差法：

對(duì)3組數(shù)據(jù)求平均值，六組數(shù)據(jù)被利用，提高利用率，減小偶然誤差。

3、 也可以將此方法推廣，例如：

已知各點(diǎn)的速度V1，V2，V3 …… 以及各點(diǎn)之間的時(shí)間間隔T（勻變速直線運(yùn)動(dòng)），求a的大小

然后再3組數(shù)據(jù)求平均值，得到a的值。

可見，逐差法適用于所有類似的數(shù)據(jù)處理。

（二）模塊4.2圖像法

圖像法是高中階段處理數(shù)據(jù)的最重的一種方法。

它具有很多優(yōu)點(diǎn)，但需要注意的幾點(diǎn)是：

1、作圖原則：讓盡可能多的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在所作圖線的兩側(cè)。

2、圖像的問題分析：

圖像1：平衡摩擦力過度

圖像2：正常圖像

圖像3：懸掛物的質(zhì)量未遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量

圖像4：未平衡摩擦力或者平衡不足

3、難點(diǎn)分析：圖像3為什么是越來越平，而

不是越來越陡呢？

引導(dǎo)學(xué)生整體法研究，已經(jīng)平衡摩擦力的情況下

小車的加速度a=mg/（M+m），可見a

參考文獻(xiàn)：

[1] 司南版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修1》 2011年7月