河北省华北油田第三中学(062552) 李富恩

河北省沧州市教育局(061001) 王晓梅

北京林业大学工学院(100083) 何彦雨

1 引言

牛顿第二定律是高中物理动力学部分的重点和难点知识，讲解牛顿第二定律内容之前首先安排了本节实验，进行实验探究，想定量得出加速度与力、质量的关系，但是实验的设计有好些地方存在误差，并且是系统误差。另外通过打点计时器来解决物体运动的加速度，费时费力，学生一节课要打无数条纸带子，然后还要计算10个或者12个加速度数值，工作量相当大。其次，本节教材在探究实验中合外力的处理采用的是近似法，也给实验结果带来了系统误差。

针对这些问题，笔者对原有实验器材进行了改进，最终成功利用DIS实验探究验证了加速度与力、质量的关系。

2 实验设计与创新要点

试验创新点主要有：利用DIS系统对实验进行突破常规的设计，巧妙地测量出物体受到的合外力，消除了合外力测量的实验误差，解决了本实验的最大难题。在实验中用到知识迁移巧妙构思，体现了STEM教育理念。

2.1 创新一

创新性地将气垫导轨应用到实验中，替换掉带有导轨的小车轨道。改进后优势如下。

(1)摩擦力显著减小。气垫导轨的工作原理是利用气流将物体托起，使物体与接触面间没有了压力，从而消除或者大大减小滑动摩擦力的大小。

(2)实验原理易于接受。实验构思很巧妙，原理很简单，虽然不好设计，但知道了原理后学生比较容易接受，并且实验效果更明显。

2.2 创新二

使用DIS系统数字化的软件。优势如下：

(1)数据获取简明直接。首先，打点计时器的工作原理本身就有实验误差，虽然实验中换用了气垫导轨，但是纸带子和限位孔间的摩擦是消除不了的，并且根据纸带上获取的数据，计算求加速度原理方法的限制，一节课根本完不成两个实验的探究，但是先进的DIS系统可直接获取实验数据既省时又准确。

(2)图像处理直接提升实验效率。数字化的教学仪器操作简单，数据实时自动显示，可视化的窗口便于学生获取各种信息，DIS软件能自动拟合图像，可突出教学重点，弱化其他次要、干扰因素，这也是一种物理学的研究方法。

3 实验原理创新设计

设计的核心是如何构建实验运动模型，能够准确的测量出加速度a、合外力F、运动物体质量M的数值，然后再探究它们之间的定量关系，课本中的传统实验如图1所示。

图1 课本中的实验装置

合外力测量：先平衡摩擦力，然后使沙子和小桶的总重力等于小车的合外力。

加速度的测量：利用打点计时器根据纸带计算。

实验中要想保证拉力等于小桶总重需要满足m≪M，实验过程中改变沙桶质量就要受到限制，并且实验误差比较大，为此可进行如下改进。把带有滑轮的一段垫高(改变传统思路)，挂上砂桶让小车匀速运动，此时对小车受力分析(见图2)，根据平衡条件可知道：

Gx=Ff+F
FN=Gy
F=Gm

图2 实验装置及小车受力分析

4 实验探究及教学内容

4.1 复习导入

惯性(匀速运动或静止)——由物体的质量M决定；改变物体的运动状态(产生加速度)——需要外力F。定性体验探究：用不同大小的力推质量相同的小车，a会不同；用大小相同的力推质量不同的小车，a也会不同。体会到加速度跟外力F和小车的质量有关，接下来探究他们之间的定量关系，采用控制变量法。

4.2 探究实验

实验前先做一个小练习：一个物体在3个共点力的作用下处于平衡状态，其中有一个力的大小是10 N，方向水平向右，如果去掉这个力，其余两个力不变，那么其余两个力的合力是多大？方向如何？

分析：根据三力平衡特点，3个力中任意2个力的合力与第3个力等值、反向、共线。可知其余两个力的合力与撤掉的10 N的力大小相等、方向相反，即水平向左。

然后给出如图2所示实验装置，让小车在小桶的拉力下沿斜面向下做匀速直线运动，斜面不光滑，试对小车进行受力分析，若去掉小桶，小车该做什么运动，小车的加速度怎么求？

分析：匀速运动时小车受到重力、支持力、摩擦力和绳子拉力的作用，因为小车做匀速运动，所以重力的下滑分力与摩擦力和拉力的和平衡，又小桶也做匀速运动，拉力等于小桶的重力。当去掉小桶后，小车所受其余几个力不变，这几个力的合力与拉力等大反向。小车的加速度大小即等于小桶的重力大小与小车质量的比值，巧妙突破拉力不等于小桶重力的难点。

然后引导学生进行分组实验，用到的实验器材有：朗威分体式数字传感器、多用力学轨道及其附件、小桶、力传感器等。实验过程如下。

(1)保持M不变，探究a与合外力F合之间的关系

①将小桶挂在细绳上通过定滑轮与滑块相连，调节斜面角度，使二者一起匀速运动。②保持此时斜面角度不变，去掉小桶，使滑块加速下滑，同时利用力传感器测量小桶重力，即拉力F的数据；释放小车，使小车做匀加速运动，在获取的v-t图像中截取一段区域，下面的表格中自动记录对应的加速度，即小车运动的加速度。③保持小车质量不变，增加小桶的质量，再重复前两个步骤，重新调节斜面角度进行实验，一共采集5～6组数据。④点击a-F图像按钮，即得到加速度与拉力的关系(见图3)。

图3 加速度与合外力的关系数据与图线

(2)保持F和不变，探究a与小车质量M之间的关系

4.3 实验分析和结论

通过前面实验数据和得到的图像分析，得出在误差允许的范围之内，加速度与合外力成正比，与自身质量成反比，即牛顿第二定律成立，完成探究实验。在实验中得到的两个图线并没有严格过原点，引导学生进行误差分析，得出其中一个重要的原因就在于平衡摩擦力过程中产生的。假如没有摩擦或摩擦力比较小，实验误差就会小很多，实验中如果引入气垫导轨误差就能大大降低。

图4 加速度与质量倒数的关系数据与图线

5 总结反思

在实验允许的情况下，可以引导学生进行实验拓展，本实验虽然消除了摩擦力的影响，但是每改变一次合外力——拉力时，都需要重新调整斜面的倾角，实验操作较繁琐，这时可以引导鼓励学生进行拓展，还有没有其他可准确获取合外力的方法，比如在实验中细绳拴在力传感器上，力传感器就能准确读出拉力大小。实验是可以改进和整合的，不一定严格的套用教材中的实验过程和方法。鼓励学生课后多思考，多探究，设计出更丰富、更具有操作性的实验方案来。

高中物理课程改革更注重了学生核心素养的培养，培养学生科学思维习惯，增强创新和实践能力以及分析问题、解决实际问题的能力。所以，在教学中尤其在实验教学中引导同学们进行知识嫁接、迁移，用学到的理论知识指导实验的探究和原理的改进，把解题中的情境过程转化为实际应用，提高学生的实践意识，养成科学态度，促进物理学科核心素养的形成。