“加速度與力、質量的關系”實驗探究課設計的改進

曹衛華

(南通市小海中學,江蘇南通 226015)

牛頓第二定律是力學知識的核心內容,加速度是連接動力學和運動學的一座橋梁.基于目前實驗教學在整個高中物理教學中的地位以及對學生設計實驗和分析實驗的能力要求的加強,在教學中讓學生掌握實驗探究的一般流程,即進行合理猜想、設計實驗探究、進行科學實驗、實驗數據分析、得出實驗結論這一過程是很有必要的.筆者最近執教了一堂關于“加速度與力、質量的關系”的實驗探究課.教學設計的重點在于實驗的設計和數據分析與處理上.下面簡要闡述這堂課的設計與操作,期盼同行們的合作與交流.

實驗設計的靈感來自于2007年江蘇高考題:如圖1,質量為M的滑塊A放在氣墊導軌B上,C為位移傳感器,它能將滑塊 A到傳感器C的距離數據實時傳送到計算機上,經計算機處理后在屏幕上顯示滑塊 A的位移-時間(s-t)圖像和速率-時間(v-t)圖像.整個裝置置于高度可調節的斜面上,斜面的長度為 L、高度為 h.(取重力加速度g=9.8 m/s2,結果可保留1位有效數字)

圖1

該題中第2問為:此裝置還可用來驗證牛頓第二定律,實驗時通過改變________,可驗證質量一定時,加速度與力成正比的關系;實驗時通過改變_______,可驗證力一定時,加速度與質量成反比的關系.

現行人教版高中物理教材中對于“加速度與力、質量的關系”的探究是通過兩種方式進行處理的:一種是利用兩輛小車的對比實驗,將加速度的比較轉化為相同時間內位移的比較進行處理,但是該方法由于實際操作時偶然誤差比較大,加之學生不易參與到實驗中來,實驗效果較差;另一種是利用托盤拖動小車,結合打點計時器對紙帶打點,通過對打點紙帶計算求得加速度,進而得出加速度 a與質量m、力F的定量關系,但實驗操作時,由于不能很好地滿足小車質量遠大于托盤與砝碼的總質量,系統誤差相對較大,再則實驗時間較長,教學效率較低.鑒于此,筆者結合該高考題,對實驗裝置做了重新設計,具體實驗裝置如圖2所示.

圖2

所用實驗器材有:電子秤、數字計數器(可直接讀出加速度值)、光電門(兩個)、氣墊導軌、滑塊、氣泵、玻璃墊片(厚度相同)、金屬砝碼.

圖3

表1

通過數據分析,學生很容易發現:在質量 m一定的情況下,加速度a與力F大致成正比關系.除了數據分析以外,利用圖線分析可以比較直觀地觀測實驗結果,便于尋找事物之間的變化規律.學生通過作 a-F圖線(圖 4),發現該圖線是一條幾乎通過原點的傾斜直線.在誤差允許的范圍內同樣可以得出:在質量 m一定的情況下,加速度 a與力F成正比關系的結論.

圖4

表2

圖5

圖6

以上是筆者所設計的“加速度與力、質量的關系”的探究課.實驗教學是提高學生學習興趣、激發學生學習潛能和創新意識的有效途徑.作為物理教師,平時做一個對生活“留意”的人、對物理“思考”的人,就會發現,物理實驗設計的靈感來源途徑很多.