“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)錄

白凡

摘 要：牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律， 學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究加速度、質(zhì)量、力三者的關(guān)系，滿足了學(xué)生的好奇心和求知欲，學(xué)生先學(xué)習(xí)教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，明確實(shí)驗(yàn)的原理和基本方向，再自行設(shè)計(jì)并展開自助式實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生創(chuàng)造環(huán)境，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)像科學(xué)家那樣思維，自己構(gòu)想實(shí)驗(yàn)方法，從物理現(xiàn)象的觀察和物理實(shí)驗(yàn)的研究分析中歸納出結(jié)論，使學(xué)生的思維得到訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：自主設(shè)計(jì)；創(chuàng)新；合作探究

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》共同必修模塊“物理1”中涉及本節(jié)的內(nèi)容有：“通過實(shí)驗(yàn)，探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系，理解牛頓第二定律?！?即要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，探究加速度、質(zhì)量、力三者的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程。

牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律，動(dòng)力學(xué)又是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)熱學(xué)、電學(xué)等其他部分知識(shí)所必須掌握的內(nèi)容，所以牛頓第二定律是本章的中心內(nèi)容，更是本章的教學(xué)重點(diǎn)。同時(shí)也是必修一整本書的制高點(diǎn)。

在學(xué)習(xí)這一內(nèi)容之前，所教的學(xué)生已經(jīng)掌握了力、質(zhì)量、加速度、慣性等概念；知道質(zhì)量是慣性的量度、力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；會(huì)分析物體的受力。已具備一定的實(shí)驗(yàn)操作技能，會(huì)用氣墊導(dǎo)軌與光電測(cè)時(shí)系統(tǒng)或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)；具備一定的計(jì)算機(jī)操作能力，會(huì)應(yīng)用CAI課件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)物理學(xué)的研究方法已有一定的了解。

高一的學(xué)生有較強(qiáng)的好奇心和求知欲，樂于探究，敢于堅(jiān)持觀點(diǎn)，勇于修正錯(cuò)誤；喜歡和同齡人一起學(xué)習(xí)，在自主學(xué)習(xí)、合作探究方面具備一定的能力，能將自己的見解與他人交流，具有團(tuán)隊(duì)精神。

本節(jié)教學(xué)注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程的親身體驗(yàn)，教師的任務(wù)是制訂目標(biāo)，組織教學(xué)活動(dòng)，控制教學(xué)活動(dòng)的進(jìn)程，排除障礙，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。學(xué)法上突出學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開展合作探究，引導(dǎo)分析總結(jié)等以學(xué)生為主體的活動(dòng)，關(guān)注學(xué)生在課堂中的個(gè)體差異，不斷引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

本節(jié)內(nèi)容分兩個(gè)課時(shí)進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生先學(xué)習(xí)教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，明確實(shí)驗(yàn)的原理和基本方向，再自行設(shè)計(jì)并展開自助式實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生創(chuàng)造環(huán)境，充分發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力。

第一課時(shí)，首先提出要研究的問題，鼓勵(lì)學(xué)生猜想并初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，與教材進(jìn)行對(duì)比，理解教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，接著按教材的方案展開探究，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析誤差的來源（系統(tǒng)誤差和偶然誤差）并得出結(jié)論。在這一過程中引導(dǎo)學(xué)生討論并發(fā)現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)方案存在的不足，思考解決辦法或重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

學(xué)生經(jīng)歷“提出問題—猜想假設(shè)—設(shè)計(jì)方案—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的科學(xué)探究過程，了解科學(xué)研究的基本環(huán)節(jié)；在邊實(shí)驗(yàn)、邊討論中學(xué)生對(duì)探究實(shí)驗(yàn)方案的可操作性、合理性和嚴(yán)謹(jǐn)性深入思考、提出質(zhì)疑并研究改進(jìn)或創(chuàng)新的辦法，使學(xué)生的思維得到訓(xùn)練。

第二課時(shí)，采用自助式實(shí)驗(yàn)，先將學(xué)生分成6人一小組，各學(xué)生在組內(nèi)展示自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思路及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方法，經(jīng)小組討論選定一種實(shí)驗(yàn)方案，教師提供實(shí)驗(yàn)所需儀器、裝置，分小組展開實(shí)驗(yàn)。

具體教學(xué)過程如下：

第一課時(shí)

【引入新課】

教師提供實(shí)驗(yàn)器材（小車、彈簧秤等），學(xué)生通過動(dòng)手操作，討論分析物體的加速度與質(zhì)量、外力之間的定性關(guān)系，教師提出本節(jié)任務(wù)：探索三者之間的定量關(guān)系。

【學(xué)生討論教材的實(shí)驗(yàn)方案】

學(xué)生初步設(shè)想實(shí)驗(yàn)的方案，討論教材的實(shí)驗(yàn)步驟，圍繞教師提出的問題理解實(shí)驗(yàn)原理和方法。

教師提出的問題：M是哪個(gè)物體的質(zhì)量？

F指的是什么力？

為什么要平衡摩擦力？

如何平衡摩擦力？

a是哪個(gè)物體的加速度？

方向如何？

兩物體的加速度有何關(guān)系？

如何分別研究a與F、a與M的關(guān)系，并猜想它們之間的關(guān)系？

對(duì)以上問題的解答，能使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，并知道利用控制變量法來研究。為學(xué)生自主改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指明大致方向。

【學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究】

學(xué)生按教材的實(shí)驗(yàn)裝置-開展實(shí)驗(yàn)探究-分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（列表法、圖像法），并得出結(jié)論。

預(yù)測(cè)：這一階段學(xué)生對(duì)于小車所受的拉力等于鉤碼重量基本不會(huì)提出質(zhì)疑，對(duì)平衡摩擦力的實(shí)際操作困難估計(jì)不足。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中討論出現(xiàn)的問題、提出改進(jìn)的方法。

1. 平衡阻力

預(yù)測(cè)：小車在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，各處所受的阻力不均勻，小車的運(yùn)動(dòng)也不均勻，因此不易由此判斷小車受到阻力的影響已被消除。

2. 保持小車質(zhì)量不變，改變鉤碼質(zhì)量，探究加速度與力的關(guān)系

預(yù)測(cè)：學(xué)生選擇鉤碼和小車時(shí)，沒有使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。

3. 學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、討論數(shù)據(jù)的分析方法

學(xué)生已掌握運(yùn)用逐差法求加速度，也學(xué)過v-t圖像的斜率表示加速度，知道可用圖像法表示兩物理量之間的關(guān)系從而想到分別畫出a-F圖像和a-M圖像，其中a-M圖像無法直接反映加速度與質(zhì)量的關(guān)系，可先讓學(xué)生猜想、討論，而后利用Excel軟件進(jìn)行曲線擬合與圖線轉(zhuǎn)換，分析得到a與M成反比關(guān)系。學(xué)生將圖像反映的關(guān)系用數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來，形成物理規(guī)律。

預(yù)測(cè)：可能出現(xiàn)的問題

Ⅰ：未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，則圖線在a軸上有截距。

Ⅱ：橫坐標(biāo)F=mg，則{an}，圖像斜率a3+a4=18，在a3a4=72時(shí)，m變化，斜率k也近似不變，若不滿足a7，斜率k隨m的增大而明顯減小，圖線出現(xiàn)彎曲。

Ⅲ：畫出a與M關(guān)系的圖線，將得到圖Ⅲ所示的圖線，無法直接分析它們之間的關(guān)系，需要引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系數(shù)學(xué)所學(xué)的函數(shù)圖像，猜想a與M的關(guān)系是否成反比，并畫出a-1/M圖像進(jìn)行驗(yàn)證。

Ⅳ：畫出a-1/M圖像，a5/a3=q2，即a7=24，斜率a7=3，a7=a52/a3時(shí)，M的變化幾乎不改變k，若不滿足a3=6，則M越小a越大，k隨M的減小而增大。

教師展示典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，全體學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)誤差的產(chǎn)生原因，引發(fā)學(xué)生討論課本實(shí)驗(yàn)方案的不足及改進(jìn)方法。在這基礎(chǔ)上教師鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇儀器，盡量減小誤差。

【布置作業(yè)】

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告

第二課時(shí)

【學(xué)生分組討論】

學(xué)生6人為一小組，在組內(nèi)展示自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思路及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方法，小組討論其可操作性、合理性和嚴(yán)謹(jǐn)性，提出修改意見，最后每個(gè)小組選定一種實(shí)驗(yàn)方案。

預(yù)測(cè)可能的方案：

1. 在平板上固定一對(duì)光電門，若小車經(jīng)過它們用時(shí)相等，則說明小車勻速運(yùn)動(dòng)，可以迅速判斷出已平衡摩擦力，另外，由兩光電門的距離、小車通過它們所用的時(shí)間、遮光條的寬度，就能計(jì)算出小車的加速度，這種方案與教材中的相比，能節(jié)約時(shí)間，提高效率。

2. 采用等效法測(cè)力。調(diào)節(jié)墊塊高度，使小車能沿斜面勻速下滑，這時(shí)有a7=12，將砂桶撤去，小車因受重力而沿斜面勻加速下滑，此時(shí)有a5，與上式比較可得±62，說明砂桶的重力恰好等于小車自由下滑時(shí)使小車產(chǎn)生加速度a的實(shí)際作用力F。這樣稱出m就“稱出”了F的大小。

3. 在方案1的基礎(chǔ)上用氣墊導(dǎo)軌裝置替換滑板小車，氣墊導(dǎo)軌不需要平衡摩擦力，只需調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平，其余做法與方案1一致。

4. 在方案3的基礎(chǔ)上，利用拉力傳感器測(cè)出滑塊所受的拉力，這樣減小了由于砂桶質(zhì)量m無法遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M而造成的誤差，但滑輪的阻力會(huì)導(dǎo)致新的測(cè)量誤差。

5. 在方案3的基礎(chǔ)上，將研究對(duì)象改為砂桶和滑塊組成的系統(tǒng)，小桶中裝橡皮泥，在研究a與F的關(guān)系時(shí)，只需將小桶中的橡皮泥逐步減少，減少部分粘到滑塊上，這樣就能保持系統(tǒng)的總質(zhì)量不變，只改變合外力F。研究a與M的關(guān)系時(shí)，不改變小桶中橡皮泥的質(zhì)量，只增加或減少滑塊上的橡皮泥，測(cè)出每次對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總質(zhì)量即可。

這種方案除了具備方案3的優(yōu)點(diǎn)外，還能避免由于砂桶質(zhì)量m無法遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M而產(chǎn)生的誤差。

以上是學(xué)生可能設(shè)計(jì)的部分較典型的實(shí)驗(yàn)方案，都給予積極的評(píng)價(jià)，尊重學(xué)生的勞動(dòng)，鼓勵(lì)他們按照自己的想法展開實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生自助實(shí)驗(yàn)】

學(xué)生根據(jù)小組選定的實(shí)驗(yàn)方案，自主選用所需的實(shí)驗(yàn)儀器、裝置，分小組展開實(shí)驗(yàn)，教師巡視、協(xié)助并指導(dǎo)。

【學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)成果】

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，小組討論分析數(shù)據(jù)。選取兩個(gè)小組展示本組的探究方法和探究成果，可以利用軟件（教師提供）協(xié)助分析，得出結(jié)論：62或F=kMa.

說明：在國(guó)際單位制中，定義1 N=1 kg·m/s2就可以得出牛頓第二定律F=Ma。然后進(jìn)行合理的外推，當(dāng)物體受幾個(gè)力作用而做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)應(yīng)為合力。

學(xué)生在這一過程中學(xué)習(xí)用圖像和數(shù)學(xué)公式表示物理規(guī)律的方法，體會(huì)物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔美。

總結(jié)：

第一，本節(jié)課分為兩個(gè)課時(shí)，給學(xué)生充分的時(shí)間進(jìn)行思考和討論，改演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，在問題不斷呈現(xiàn)和解決中培養(yǎng)學(xué)生的思維。第二，采用自助式實(shí)驗(yàn)，充分尊重學(xué)生，能最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。第三，教學(xué)具有生成性，學(xué)生的表現(xiàn)無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，需要在課堂上靈活應(yīng)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒建平.問題導(dǎo)學(xué)主動(dòng)探究——“牛頓第二定律的應(yīng)用——彈簧情境問題分析”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（江蘇教師），2011，（12）：32-33.