關(guān)于“加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的探究式實驗設(shè)計

方武增

(廣東省揭陽市惠來慈云實驗中學,廣東　揭陽　515200)

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關(guān)于“加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的探究式實驗設(shè)計

方武增

(廣東省揭陽市惠來慈云實驗中學,廣東揭陽515200)

筆者根據(jù)探究式教學要求，設(shè)計了“研究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的教學方案，并付諸教學實踐，取得較好的教學效果.

實驗探究;教學方案；教學設(shè)計

相比傳統(tǒng)的教學方式,探究式教學不僅能使學生學到知識,更能使學生的能力得到提高.筆者根據(jù)探究式教學要求，設(shè)計了“研究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的教學方案.

1　教學目標

(1) 知識與技能

① 掌握定量探究加速度與物體所受合外力、物體質(zhì)量之間關(guān)系的方法,并能實際操作、處理實驗數(shù)據(jù);

② 了解氣墊導軌減小摩擦的原理和光電門、數(shù)字計時器在實驗中發(fā)揮的作用.

(2) 過程與方法

① 能從記錄實驗數(shù)據(jù)的表格中分析加速度與合外力以及加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系;

② 經(jīng)歷用圖像描繪實驗結(jié)果的過程,了解如何從圖像中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律.

(3) 情感態(tài)度與價值觀

① 經(jīng)歷定性、定量研究過程,培養(yǎng)學生執(zhí)著追求真理的科學精神;

② 通過實驗探究激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)新精神,并培養(yǎng)與人合作的團隊精神.

2　教學重、難點

重點:經(jīng)歷實驗探究的全過程,體會科學探究的整體思路、方法.

難點:從實驗數(shù)據(jù)中分析加速度與合外力以及加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系;從圖像中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律.

3　教學過程

3.1導入

創(chuàng)設(shè)問題情境,利用多媒體投影圖1.

圖1

師:(復習上一節(jié)課的內(nèi)容)如圖1所示，當物體質(zhì)量一定而力不相同時，物體加速度有什么不同?力大小相同,作用在不同質(zhì)量的物體上,物體加速度又有什么不同?

教師在課堂教學中,要想方設(shè)法培養(yǎng)和激發(fā)學生的探究欲望,使學生處于一種探究的沖動之中,學生在強烈的探究欲望之下會積極主動地去想、去做.

生:當物體質(zhì)量一定時,物體的加速度應該隨著力的增大而增大,當力大小相同時,物體質(zhì)量越大,運動狀態(tài)越難改變,所以質(zhì)量越大,加速度越小.

師:很好,那么我們?nèi)绾伟迅魑锢砹坑镁_的數(shù)量關(guān)系表達出來？

3.2推進新課

師:為了盡量減小小車與斜面之間摩擦力的影響,同學們來想一想,我們應該用什么儀器？

生:氣墊導軌(如圖2).

圖2

3.2.1了解實驗儀器

師:氣墊導軌為何能減小摩擦？

生:從氣孔噴出的氣流在導軌與滑塊間形成氣墊,從而減小摩擦(如圖3).

圖3

師:為了使時間測量誤差盡可能小,所以采用了數(shù)字計時器和光電門作為計時裝置.

教師一邊讓學生觀察實驗儀器，一邊介紹儀器的原理及使用方法.利用多媒體投影出問題：(1)數(shù)字計時器顯示的是哪個物理量的數(shù)值？

(2) 數(shù)字計時器有幾種計時方法？現(xiàn)在我們使用的是哪一種方法？

(3) 如何計算滑塊通過光電門的速度？

3.2.2設(shè)計實驗方案

教師引導學生設(shè)計實驗，研究加速度與質(zhì)量、合外力的關(guān)系,明確其實驗原理,并設(shè)計表格記錄數(shù)據(jù).設(shè)計完成后,同學之間進行交流，教師要給學生多維互動的交流空間，在合作交流中使學生的思維得到完善和升華，實驗步驟如下：

(2)保持滑塊質(zhì)量不變,改變滑塊所受的合外力,探究加速度與滑塊所受的合外力之間的定量關(guān)系,滑塊在鉤碼拉力的作用下做加速運動,由于氣墊導軌的摩擦可以忽略,則滑塊受到的合外力等于繩子的拉力,而拉力約等于鉤碼所受重力,即滑塊受到的合外力約等于鉤碼所受重力,通過改變鉤碼的重量,即可以改變滑塊所受到的合外力.實驗中需測量滑塊質(zhì)量M、遮光條寬度L和兩光電門間的距離s，設(shè)計表格如表1所示.

表1　改變鉤碼的重量

(3) 保持滑塊所受的合外力不變,改變滑塊的質(zhì)量,探究加速度與質(zhì)量的定量關(guān)系.保持鉤碼的質(zhì)量不變,即保持滑塊所受的合外力不變,通過改變加在滑塊上的配重塊的質(zhì)量來改變滑塊的質(zhì)量.實驗中需測量鉤碼質(zhì)量m、滑塊受到的合外力F、遮光條的寬度L和兩光電門間的距離s，設(shè)計表格如表2所示.

表2　改變滑塊的質(zhì)量

3.2.3實驗過程

教師請一部分同學到講臺上做實驗,其他同學一起記錄好實驗數(shù)據(jù).在實驗教學中,培養(yǎng)學生互助的品質(zhì),學生是活動的主體,教師不能代替.

生1:實驗時,首先要調(diào)節(jié)氣墊導軌的水平.使滑塊能停在二光電門的中間處,然后把滑塊從軌道的左端輕推一下,使通過二光電門的時間盡量接近,即可認為導軌已調(diào)水平了.

生2:用游標卡尺測量遮光條的寬度L,用米尺測出二光電門之間的距離s,用天平稱量滑塊的質(zhì)量、配重塊的質(zhì)量、鉤碼的質(zhì)量,做好記錄.

生3:把數(shù)字計時器調(diào)到ms擋,將細線的一端系在滑塊上,另一端繞過滑輪后掛一鉤碼,另外將配重塊放在滑塊上.將滑塊置于第一光電門外側(cè),松開滑塊,分別測出滑塊通過二光電門的時間t1和t2,并作好記錄.

生4:保持滑塊的質(zhì)量不變,逐次增加鉤碼的質(zhì)量.重復上述測量并作好記錄.

生5:保持鉤碼的質(zhì)量不變,即保持滑塊的合外力不變,逐次在滑塊上增加配置塊.重復上述步驟1、2、3.測量并做好記錄.

觀察是科學探究的基礎(chǔ),是提出問題獲得證據(jù)或數(shù)據(jù)的來源.在觀察到現(xiàn)象后及時作記錄,這是科學研究的最基本方法.

3.2.4處理實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論

生1:對于表1,我們要研究滑塊質(zhì)量不變時的加速度與合外力的關(guān)系,可以關(guān)注Fa、F/a、F/a2等等,以探究加速度與合外力的定量關(guān)系(如表3).

表3　滑塊質(zhì)量不變時加速度與合外力的定量關(guān)系

師:我們可以通過這樣的方式得出加速度與合外力的關(guān)系.

將數(shù)據(jù)及公式輸入Excel里得到數(shù)據(jù)，信息技術(shù)應用于教學過程,可增強學生學習的主動性和靈活性,培養(yǎng)學生自主探究、主動獲取知識的能力,實現(xiàn)學習方式的多樣化.

生:F/a在誤差允許范圍內(nèi)是一個常數(shù),說明了在物體質(zhì)量一定的情況下,加速度與合外力成正比.

教師:對于表2,我們同樣可以用這種方法,如表4所示，將數(shù)據(jù)及公式輸入Excel里得到數(shù)據(jù).

表4　滑塊質(zhì)量改變時加速度與質(zhì)量的定量關(guān)系

學:Ma在誤差允許范圍內(nèi)是一個常數(shù),說明了物體在合外力一定時,加速度與質(zhì)量成反比.

師:非常好,接下來我們來看看教材中P84的“討論與交流2”:針對鉤碼所受重力不完全等于滑塊拉力的問題,同學們有什么解決方案？

生:加速度越大,鉤碼所受重力與滑塊的拉力差別也會越大.要將鉤碼所受重力近似看做是滑塊所受拉力,實驗過程中物體的加速度不應太大.由于合力越小,質(zhì)量越大,加速度就越小,我們可以通過減少鉤碼的質(zhì)量,增大滑塊質(zhì)量來控制加速度.

師:建立坐標系,用縱坐標表示物體的加速度,用橫坐標分別表示物體所受的合力和物體質(zhì)量的倒數(shù),根據(jù)表3和表4中的實驗數(shù)據(jù),在圖中描出相應的實驗數(shù)據(jù)點.同學們描繪出來的是怎樣的？

生:近似一條直線.

師:觀察各數(shù)據(jù)點,看描出的點近似地在一條直線上.但考慮到實驗有一定的誤差,我們不能直接把數(shù)據(jù)點連接起來,在誤差許可的范圍內(nèi),我們用一條直線盡量靠近這些點,所以同學們作出的實驗圖線是對的.

3.3課堂總結(jié)

(1) 用比較精確的方法探究加速度與合外力及質(zhì)量的關(guān)系.

(2) 對得到的實驗數(shù)據(jù)進行分析的方法.

(3) 物體質(zhì)量一定時,加速度與合外力成正比;合外力一定時,加速度與質(zhì)量成反比.

4　總結(jié)

在本教學設(shè)計中,主要從引導學生進行實驗探究出發(fā),根據(jù)教學內(nèi)容進行教學設(shè)計.這樣的教學模式不但突現(xiàn)了科學探究的一系列步驟,還抓住了探究學習的核心和本質(zhì),是真正意義上的探究式學習,體現(xiàn)了探究式學習的實質(zhì)與靈魂.

[1] 程功.試論老師激發(fā)學生進行物理探究學習的方法[J].科學時代(綜合版)，2007，(11):23-24.

[2] 吳惟粵.物理優(yōu)秀教學設(shè)計與案例[M].廣州：廣東教育出版社,2005:151-157.