精準(zhǔn)設(shè)問培養(yǎng)學(xué)生物理思維

鄒央云

一、設(shè)計(jì)依據(jù)

新教材編寫中，注重在學(xué)習(xí)概念、規(guī)律的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。讓學(xué)生經(jīng)歷探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的設(shè)計(jì)過程，引導(dǎo)從牛頓第一定律出發(fā)，提出探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的必要性，從中讓學(xué)生清楚兩個(gè)物理觀念：一、運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的一種屬性，物質(zhì)維持其原有運(yùn)動(dòng)方式不變的屬性稱為慣性。二、物質(zhì)之間是相互聯(lián)系的，物質(zhì)之間存在著相互作用，這種作用稱為力，它是導(dǎo)致物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生改變的原因。為小車施加恒定且恒定且便于測(cè)量的力時(shí)，讓槽碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，減小加速度，使得槽碼的重力與槽碼對(duì)小車的拉力近似相等，這是一種抓住事物的主要方面、忽略次要方面研究問題的思維方法。在方案設(shè)計(jì)中用啟發(fā)式的語言精準(zhǔn)設(shè)問，推動(dòng)學(xué)生逐步進(jìn)行推理分析、發(fā)現(xiàn)問題、制定解決方案、訓(xùn)練思維，形成主動(dòng)探究的意識(shí)，養(yǎng)成探究習(xí)慣。

二、教材分析

教科書引導(dǎo)學(xué)生從牛頓第一定律出發(fā)，提出探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的必要性，并從實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)、物理量的測(cè)量、實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)分析幾個(gè)方面引導(dǎo)學(xué)生完成探究。實(shí)驗(yàn)的基本思路并不難，因此整個(gè)教學(xué)過程應(yīng)該更加重視讓學(xué)生體會(huì)探究的實(shí)質(zhì)：鼓勵(lì)學(xué)生提出科學(xué)問題；設(shè)計(jì)更多的實(shí)驗(yàn)方案；引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題；嘗試用多種方法處理數(shù)據(jù)，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論；以及培養(yǎng)學(xué)生對(duì)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的必要性

牛頓第一定律告訴我們，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，速度是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的定量表達(dá)就是速度改變了，而這一改變一定對(duì)應(yīng)一個(gè)過程即需要一段時(shí)間間隔，所以有加速度，由此可以說力是產(chǎn)生加速度的原因。牛頓第一定律還告訴我們物體具有保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的屬性即慣性，而衡量慣性的量度是質(zhì)量，也就是說質(zhì)量越大“抵抗”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的能力就越強(qiáng)。這說明，加速度與力、質(zhì)量之間必然存在一定的關(guān)系，我們有探究加速度和力、質(zhì)量之間關(guān)系的必要性。

（二）實(shí)驗(yàn)思路

要完成這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，你有哪些問題？譬如這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量哪些物理量？測(cè)量加速度、質(zhì)量、力

可以用什么儀器測(cè)量這些物理量？彈簧測(cè)力計(jì)或力傳感器測(cè)量力，天平測(cè)量質(zhì)量，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或頻閃照片或光電門測(cè)量加速度

測(cè)量哪個(gè)研究對(duì)象的加速度、質(zhì)量和力？同一個(gè)研究對(duì)象，比如軌道小車

什么樣的裝置可以同時(shí)測(cè)量軌道小車的加速度、質(zhì)量和力？圖4.2-1所示裝置可以完成這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。將小車置于水平木板上，通過滑輪與槽碼相連。小車在槽碼的牽引下運(yùn)動(dòng)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過測(cè)力計(jì)用手直接給小車施加一個(gè)恒力是否可行？

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，牽引小車的線繩連接力傳感器是否可行？

這個(gè)裝置中小車質(zhì)量和細(xì)繩拉力對(duì)小車加速度都有影響，要如何區(qū)分？用控制變量法，保持小車質(zhì)量不變，通過改變槽碼的個(gè)數(shù)改變小車所受拉力。測(cè)得不同拉力下小車運(yùn)動(dòng)的加速度，分析加速度與拉力的變化情況，找出二者之間的定量關(guān)系。保持小車所受的拉力不變，通過在小車上增加重物改變小車的質(zhì)量。測(cè)得不同質(zhì)量的小車在這個(gè)拉力下運(yùn)動(dòng)單位加速度，分析加速度與質(zhì)量的變化，找出二者的定量關(guān)系。

在保持小車所受拉力不變時(shí)，為什么是通過“增加重物”改變小車質(zhì)量？

小車所受的拉力與槽碼的重力是否相等？小車勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，槽碼重力一定大于拉力，當(dāng)槽碼的質(zhì)量要比小車的質(zhì)量小很多時(shí)，可認(rèn)為這兩個(gè)力近似相等，可用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)定性分析，不要求定量證明。

細(xì)繩對(duì)小車的拉力是小車所受的合力嗎？

如何得到小車所受的合力？學(xué)生一般想到的是測(cè)出摩擦力

如何讓細(xì)繩拉力成為小車所受合力？讓小車所受重力、支持力和摩擦力的合力為0，然后再施加拉力。提出阻力補(bǔ)償?shù)姆桨?/p>

在控制變量法中，當(dāng)增加小車質(zhì)量后是否需要重新補(bǔ)償阻力？

實(shí)驗(yàn)裝置中如何確保槽碼拉小車的力是恒力？

在分析探討以上這些問題后，得出實(shí)驗(yàn)室采用的參考案例1，學(xué)生就很容易接受。

你還有其他方案嗎？它們有哪些優(yōu)點(diǎn)和不足？……

（三）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了更加直觀的判斷加速度a與拉力F的定量關(guān)系，我們以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)。如果這些點(diǎn)在一條過原點(diǎn)的直線附近，說明加速度a與拉力F成正比。如果不是這樣，則需進(jìn)一步分析。

為了分析加速度a與質(zhì)量m的定量關(guān)系，我們同樣需要建立直角坐標(biāo)系。我們可以定性判斷出質(zhì)量m越大，加速度a越小。從最簡單的情況入手，檢驗(yàn)是否“a與m成反比”。我們很難從“a-m圖像”直觀看出是否為雙曲線，如何解決這個(gè)問題？作“a-1/m圖像”進(jìn)行檢驗(yàn)。如果檢驗(yàn)結(jié)果是過原點(diǎn)的直線，就可以判斷加速度a與質(zhì)量m是成反比。

四、教學(xué)反思

關(guān)于新器材、新技術(shù)在探究實(shí)驗(yàn)中的使用。隨著傳感器的廣泛使用，我們高中物理實(shí)驗(yàn)中的很多器材也可以用傳感器來替代，從而使得實(shí)驗(yàn)操作更加簡單、數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理更加便捷，甚至可以規(guī)避了原來的實(shí)驗(yàn)方案中所可能存在的問題。比如說我們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)中是用所掛槽碼的重力來替代繩子對(duì)小車的拉力，由于小車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)不是平衡狀態(tài)，所以繩子中拉力略小于槽碼重力。而如果是在繩子與小車連接處使用力傳感器，則可以直接得到繩子中的拉力，從而規(guī)避了這個(gè)重力與拉力不等的問題。不過，從培養(yǎng)學(xué)生思維能力的目的出發(fā)，教材所提供的探究示例是很好的，不應(yīng)該被所謂的新器材所帶來的便捷實(shí)驗(yàn)所替代。