探究“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

陳智慧 葉晴瑩 蘇超 葉麗萍 吳志明 陳水源

摘? ?要：實(shí)驗(yàn)是將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際情境的有效途徑。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以將抽象的理論知識(shí)與實(shí)際現(xiàn)象相結(jié)合，加深對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。文章從創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)入手，對(duì)教材中“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改造，以幫助學(xué)生更好地理解這三個(gè)物理量之間的關(guān)系。并將創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)融入了物理教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；加速度；力；質(zhì)量

1? 教材實(shí)驗(yàn)的解析

必修一“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)是高中物理必做實(shí)驗(yàn)之一。此外，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在學(xué)業(yè)要求方面進(jìn)一步提出，學(xué)生要學(xué)會(huì)使用基本的力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材、分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能根據(jù)相關(guān)物理圖像描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[ 1 ]。學(xué)生還需具備以下關(guān)鍵能力：科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究問題的能力、制定合理的實(shí)驗(yàn)方案的能力以及控制變量的意識(shí)和誤差分析意識(shí)。

為幫助學(xué)生理解加速度與力，質(zhì)量關(guān)系的概念，達(dá)到課標(biāo)要求，不同教材中對(duì)小車加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究方案有不同的處理。如表 1教材實(shí)驗(yàn)分析所示。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)不同版本教材對(duì)實(shí)驗(yàn)的描述都不同，粵教版和魯科版用到了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，在探究過程中可以直接得出加速度的大小，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確，但是學(xué)生可進(jìn)行自主探究的范圍小。其他版本教材能夠得出較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，但是存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯，數(shù)據(jù)處理略顯繁瑣，摩擦力所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差較難以克服等困難。

六個(gè)版本新教材均采用懸吊鉤碼來提供對(duì)小車的拉力，定滑輪連接減小摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，并強(qiáng)調(diào)當(dāng)鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí)，則認(rèn)為鉤碼重力與小車所受合力近似相等。但是，教材中未進(jìn)一步說明為什么“鉤碼質(zhì)量需要遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量”，而這往往是學(xué)生最大的疑惑點(diǎn)[ 2 ]。為解決上述問題，使學(xué)生更好地理解此探究實(shí)驗(yàn)，筆者在教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自制了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置。

2? 自制實(shí)驗(yàn)裝置介紹

在分析表1的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖。該裝置可實(shí)現(xiàn)如下探究。

2.1? 探究加速度與力的關(guān)系

如圖1所示，在兩個(gè)傾角不同的斜面上分別放置兩質(zhì)量m相同的小車。通過改變斜面的傾角，使小車在沿斜面方向上所受合力F=mgsinθ-μmgcosθ不同。

在相同時(shí)間內(nèi)，小車受到不同的力，加速度a也有所區(qū)別。由于最初小車靜止在斜面上，而相同時(shí)間內(nèi)兩小車的位移變化量x=■at2可測(cè)，因此可通過觀察相同時(shí)間內(nèi)，兩小車運(yùn)動(dòng)的位移大小得到兩小車加速度大小的關(guān)系。根據(jù)F=ma，從而探究質(zhì)量一定時(shí)，加速度a與力F的關(guān)系。

2.2? 探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系

如圖1，兩小車內(nèi)可加不同質(zhì)量的砝碼，為了保證小車在運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到沿斜面方向上的力F=mgsinθ-μmgcosθ相同，可以通過調(diào)整斜面角度控制。根據(jù)兩小車的位移變化量x=■at2，測(cè)得x，根據(jù)F=ma，即可探究力一定時(shí)，加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系。

3? 自制實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)、注意事項(xiàng)

3.1? 自制實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)與教材上的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有很大的區(qū)別，最明顯的區(qū)別是此實(shí)驗(yàn)采取了對(duì)照實(shí)驗(yàn)法。左右兩小車在運(yùn)動(dòng)過程中形成對(duì)照，使學(xué)生可以明顯觀察到兩小車運(yùn)動(dòng)的快慢，即速度的大小。并且學(xué)生既能通過肉眼判斷物體加速度的大小，又能用物理量之間的關(guān)系計(jì)算加速度理論值，還可以利用光電門直接讀出加速度的實(shí)際值。這三種比較加速度大小的方法，有利于引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論值和實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，提高學(xué)生的誤差分析能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

引入該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可給學(xué)生帶來顯著的視覺體驗(yàn)。學(xué)生能直觀地感受到小車加速度的變化，通過實(shí)時(shí)觀察和記錄加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)牛頓第二定律公式進(jìn)行推導(dǎo)，加深對(duì)牛頓第二定律公式的理解。這種視覺化的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解和記憶，并激發(fā)他們的探究興趣。此實(shí)驗(yàn)方案是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新突破，針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的相關(guān)問題，從研究對(duì)象、測(cè)量手段、實(shí)驗(yàn)原理3個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化[ 3 ]。

3.2? 注意事項(xiàng)

（1）探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，在調(diào)整角度使小車受到同等大小力的過程中，其對(duì)角度的計(jì)算可利用數(shù)學(xué)軟件來完成。角度大小的調(diào)整則可以通過手機(jī)軟件phyphox來完成。

（2）此實(shí)驗(yàn)可通過光電門直接讀出加速度實(shí)際值的大小，而加速度的理論值需要學(xué)生根據(jù)已有力學(xué)知識(shí)來計(jì)算，計(jì)算過程需要教師引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩碓O(shè)計(jì)表格，把測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算填在表中，以此來分析加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系。

（3）為比較同一時(shí)刻兩物體運(yùn)動(dòng)的快慢，可以在軌道上利用電磁鐵開關(guān)控制小車的運(yùn)動(dòng)初始時(shí)刻。通電磁開關(guān)吸引小車，使其靜止在斜面上，斷電后兩小車同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)小車從靜止到運(yùn)動(dòng)的初始時(shí)刻相同，從而通過比較物體運(yùn)動(dòng)的距離判斷物體運(yùn)動(dòng)的加速度。

4? 總結(jié)

研究從幾個(gè)不同版本教材入手，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，此創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的核心思想在于通過設(shè)計(jì)更具可觀性和探究性的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，增加學(xué)生對(duì)加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的深入理解。本文優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)步驟，在實(shí)驗(yàn)中，引入了新的實(shí)驗(yàn)器材和測(cè)量工具，以增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并鼓勵(lì)學(xué)生用多種角度和方法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼偈箤W(xué)生靈活運(yùn)用先前學(xué)過的物理知識(shí)，來解決新的物理問題。在日常作業(yè)訓(xùn)練中，以創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)題的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考察，還能夠培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)和解決復(fù)雜問題的能力，并進(jìn)一步激發(fā)他們?cè)趯W(xué)習(xí)中的積極性和求知欲望。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

［2］ 呂艷坤.“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)方案的述評(píng)與改進(jìn)[J].物理教學(xué)探討，2023，41（3）：45-47，51.

［3］ 汪小明.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案 培育學(xué)科素養(yǎng)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)[J].物理教師，2019，40（12）：46-49.