從過程與方法維度重構(gòu)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以探究物體獲得的加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系為例

趙自強(qiáng)

河南省鄭州市第四中學(xué)(450000)

探究物體獲得的加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系是高中物理中非常重要的實(shí)驗(yàn)，也是高考考試說明中要求做的實(shí)驗(yàn)。課程標(biāo)準(zhǔn)對本實(shí)驗(yàn)的要求是：通過實(shí)驗(yàn)測量加速度、力、質(zhì)量，分別作出表示加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系圖像，根據(jù)圖像寫出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系式,體會探究過程中所用的科學(xué)方法。本實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的要求比較高，要求學(xué)生經(jīng)歷定量探究的過程，掌握控制變量法、圖像法以及作圖過程中“化曲為直”等思想，且實(shí)驗(yàn)操作難度大、數(shù)據(jù)處理誤差大，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)往往不如人意。所以，不少教師在教學(xué)中對本實(shí)驗(yàn)采取“避讓”策略。主要表現(xiàn)有：①重結(jié)論輕過程,沒有認(rèn)真組織實(shí)驗(yàn)，而是“一筆帶過”，直接告訴學(xué)生探究結(jié)論;②忽視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理,雖然學(xué)生做了實(shí)驗(yàn)，但做完實(shí)驗(yàn)后，沒有認(rèn)真分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生缺乏必要的思考，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差;③輕視做實(shí)驗(yàn)，而過度重視實(shí)驗(yàn)題的訓(xùn)練，認(rèn)為“做實(shí)驗(yàn)不如做實(shí)驗(yàn)題”，讓學(xué)生做很多實(shí)驗(yàn)題，而實(shí)驗(yàn)探究本身卻沒落到實(shí)處，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成無根之木。以上種種表現(xiàn)嚴(yán)重忽視了實(shí)驗(yàn)探究的重要性，與新課程理念不符。學(xué)生只有真正參與到實(shí)驗(yàn)中，才有可能有所思、有所悟，才能對實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟等內(nèi)容理解透徹，才會提高相應(yīng)的能力。

1 問題引路，明晰原理

以物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計呈現(xiàn)問題，搭建思維起點(diǎn)的臺階，使學(xué)生感受到情景中的問題，有疑慮而提出問題，師生以問題鏈為主線來開展教學(xué)活動。在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)該向?qū)W生提出問題，以問題為任務(wù)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分思考，通過思考明晰實(shí)驗(yàn)原理、方法，為設(shè)計方案、理解步驟、處理數(shù)據(jù)、分析誤差等奠定基礎(chǔ)。否則，學(xué)生只是在教師、教材要求的步驟之下按部就班地完成實(shí)驗(yàn)操作。缺乏深入思考就進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，只是見過、使用過實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)題訓(xùn)練時知道題目說的是什么，無法達(dá)到經(jīng)歷探究過程、習(xí)得物理方法的教學(xué)效果。

1.1 為什么要探究加速度與合外力、質(zhì)量之間的關(guān)系

為何要探究的是加速度與力、質(zhì)量的之間的關(guān)系，而不是加速度與其他物理量之間的關(guān)系。通過這一問題，促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)的牛頓第一定律進(jìn)行深度思考。一切物體任何時候都具有慣性，質(zhì)量是慣性大小的量度，質(zhì)量是“抗拒”改變物體運(yùn)動狀態(tài)的唯一的“內(nèi)因”，力是“主動”改變物體運(yùn)動狀態(tài)的唯一“外因”，而運(yùn)動狀態(tài)改變(速度的變化)的快慢，用加速度來描述。所以，加速度只與合外力、質(zhì)量有關(guān)。

1.2 探究加速度與合外力、質(zhì)量之間的關(guān)系應(yīng)采用什么方法

物理中對多變量問題，常采用控制變量法，把多變量問題變成多組單變量問題，只改變其中某一個變量，從而研究這個變量對結(jié)果的影響，分別加以研究，最后再綜合得到結(jié)論。本問題的思考，旨在促進(jìn)學(xué)生理解控制變量法這一重要物理方法，為后面設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、理順操作步驟做出鋪墊。本實(shí)驗(yàn)中，需要分別探究：小車質(zhì)量不變時，改變合外力，探究加速度與合外力的關(guān)系；小車所受合外力不變時，改變小車質(zhì)量，探究加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系。

1.3 應(yīng)該讓小車做什么樣的運(yùn)動

為了測量的簡單和操作的方便應(yīng)該讓小車受到恒定外力的作用，做勻加速直線運(yùn)動。通過對這一問題的思考，讓學(xué)生知道只有當(dāng)物體做勻變速直線運(yùn)動時，小車的瞬時加速和平均加速度才相等。

1.4 如何測量、改變小車的質(zhì)量

小車的質(zhì)量用天平直接測量。根據(jù)控制變量法，在探究小車的加速度與質(zhì)量的關(guān)系時，需要控制小車的合外力不變，通過添加鉤碼的方法改變小車的質(zhì)量。

1.5 如何確定、測量、改變合外力

要讓小車做勻加速直線運(yùn)動，對小車受到的合外力有何要求，如何確定、測量、改變合外力是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。學(xué)生對此比較疑惑，也不清楚在一個勻變速直線運(yùn)動中該如何給小車提供一個恒定的合外力。在教學(xué)中，教師只有通過設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生思考后，給學(xué)生講透徹該怎么做、為何要這樣做，學(xué)生才會對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟有深刻的理解和準(zhǔn)確的把握。

本實(shí)驗(yàn)中，通過細(xì)線跨過滑輪懸掛重物來提供小車做勻加速運(yùn)動的拉力，測量拉力的大小可以通過拉力傳感器，或者懸掛重物以重物的重力替代拉力。重力替代拉力需要滿足懸掛物體的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，此時小車勻加速的加速度不夠大，拉力才近似等于懸掛物的重力。要改變拉力，只要改變懸掛物體的質(zhì)量即可。

在本實(shí)驗(yàn)中，小車受到摩擦力、重力、支持力、拉力，如果小車在水平面上運(yùn)動需要測出其受到的拉力和摩擦力，測量難度較大，為此需要想辦法把摩擦力“消除”，小車受到的合外力就等于拉力。要“消除”摩擦力常采用的方法有：①把軌道一端墊高，讓小車重力沿斜面向下的分力等于摩擦力，即mgsinθ=μmgcosθ，平衡的標(biāo)準(zhǔn)是輕推一下小車，小車做勻速直線運(yùn)動；②采用氣墊導(dǎo)軌，使得滑塊與軌道之間的正壓力趨于零，摩擦力近似等于零。

1.6 如何測量加速度

2 明確原理，設(shè)計方案

通過上述問題引導(dǎo)學(xué)生思考，理清實(shí)驗(yàn)原理，明晰了實(shí)驗(yàn)方法，為實(shí)驗(yàn)方案的得出奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。只要學(xué)生考慮透徹上述問題，實(shí)驗(yàn)方案的得出就水到渠成，無需教師照本宣科告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案。讓學(xué)生在思考的基礎(chǔ)上得出實(shí)驗(yàn)方案，教學(xué)效果更佳。本實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以得到如下兩個基礎(chǔ)方案：長木板打點(diǎn)計時器方案，如圖1所示；氣墊導(dǎo)軌光電門方案，如圖2所示。

圖1 長木板打點(diǎn)計時器實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖2 氣墊導(dǎo)軌光電門實(shí)驗(yàn)裝置圖

方案1中利用打點(diǎn)計時器打出紙帶測量加速度，用小盤和砝碼的重力mg代替細(xì)線的拉力。需要滿足小盤和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，即m?M。細(xì)線要與長木板平行，墊高打點(diǎn)計時器的一端平衡摩擦力。方案2中需要滿足鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量，但無需采用墊高軌道的方法平衡摩擦力。

在設(shè)計方案的過程中，教師可以讓學(xué)生嘗試和同伴一起討論寫出實(shí)驗(yàn)步驟。學(xué)生寫出的實(shí)驗(yàn)步驟肯定不完善，但只要主要的步驟清晰即達(dá)到目的。學(xué)生寫完之后，再以個別組的實(shí)驗(yàn)步驟為例，師生一起修改、完善。這樣避免了照本宣科，提高了學(xué)生的課堂參與程度。

3 反思誤差，升華理解

設(shè)計好實(shí)驗(yàn)方案后，讓學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。一般而言，學(xué)校配置較多的是長木板打點(diǎn)計時器方案中的器材，而光電門氣墊導(dǎo)軌方案中的器材一般學(xué)校都只配備幾套，因器材不夠無法開展分組實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中可以讓學(xué)生按照長木板打點(diǎn)計時器方案分組實(shí)驗(yàn)，同時給學(xué)生提供幾套光電門氣墊導(dǎo)軌方案的器材，學(xué)生完成方案1的實(shí)驗(yàn)后，可自主選擇采用方案2完成實(shí)驗(yàn)。

反思與評價是科學(xué)探究的重要環(huán)節(jié)，更是學(xué)生對自己探究結(jié)論可靠性的分析與評價過程。所以，實(shí)驗(yàn)之后的反思是必不可少的。鑒于本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 拓展延伸，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

為了拓寬學(xué)生視野，拓展學(xué)生知識面，實(shí)驗(yàn)完成后需要在重視學(xué)情，尊重教材的基礎(chǔ)上，從實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)方案、操作步驟、數(shù)據(jù)處理等方面對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展延伸，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。以本實(shí)驗(yàn)為例，可以對拉力大小的測定進(jìn)行適度拓展。上述兩個實(shí)驗(yàn)方案中，都是用所懸掛重物的重力來代替細(xì)線的拉力，都想辦法“消除”了摩擦力，使懸掛重物的重力就是研究對象(小車或滑塊)的合外力。這兩個方案中都要求懸掛重物的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于研究對象的(小車或滑塊)質(zhì)量?？上?qū)W生提出問題：能否不需要滿足條件m?M也能完成實(shí)驗(yàn)。對此可以引導(dǎo)學(xué)生得出如下兩個方案，彈簧測力計方案和力的傳感器方案，分別如圖3、圖4所示。然后，讓學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)兩個實(shí)驗(yàn)方案。還可以在器材上有所創(chuàng)新，用傳感器與計算機(jī)相連接，可直接得出小車的加速度，數(shù)據(jù)處理更快、更準(zhǔn)。

圖3 彈簧測力計實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4 力的傳感器實(shí)驗(yàn)裝置圖