方武增

(广东省揭阳市惠来慈云实验中学,广东　揭阳　515200)



关于“加速度与力、质量关系”的探究式实验设计

方武增

(广东省揭阳市惠来慈云实验中学,广东揭阳515200)

笔者根据探究式教学要求，设计了“研究加速度与力、质量关系”的教学方案，并付诸教学实践，取得较好的教学效果.

实验探究;教学方案；教学设计

相比传统的教学方式,探究式教学不仅能使学生学到知识,更能使学生的能力得到提高.笔者根据探究式教学要求，设计了“研究加速度与力、质量关系”的教学方案.

1　教学目标

(1) 知识与技能

① 掌握定量探究加速度与物体所受合外力、物体质量之间关系的方法,并能实际操作、处理实验数据;

② 了解气垫导轨减小摩擦的原理和光电门、数字计时器在实验中发挥的作用.

(2) 过程与方法

① 能从记录实验数据的表格中分析加速度与合外力以及加速度与物体质量的关系;

② 经历用图像描绘实验结果的过程,了解如何从图像中发现物理规律.

(3) 情感态度与价值观

① 经历定性、定量研究过程,培养学生执著追求真理的科学精神;

② 通过实验探究激发学生的求知欲和创新精神,并培养与人合作的团队精神.

2　教学重、难点

重点:经历实验探究的全过程,体会科学探究的整体思路、方法.

难点:从实验数据中分析加速度与合外力以及加速度与物体质量的关系;从图像中发现物理规律.

3　教学过程

3.1导入

创设问题情境,利用多媒体投影图1.

图1

师:(复习上一节课的内容)如图1所示，当物体质量一定而力不相同时，物体加速度有什么不同?力大小相同,作用在不同质量的物体上,物体加速度又有什么不同?

教师在课堂教学中,要想方设法培养和激发学生的探究欲望,使学生处于一种探究的冲动之中,学生在强烈的探究欲望之下会积极主动地去想、去做.

生:当物体质量一定时,物体的加速度应该随着力的增大而增大,当力大小相同时,物体质量越大,运动状态越难改变,所以质量越大,加速度越小.

师:很好,那么我们如何把各物理量用精确的数量关系表达出来？

3.2推进新课

师:为了尽量减小小车与斜面之间摩擦力的影响,同学们来想一想,我们应该用什么仪器？

生:气垫导轨(如图2).

图2

3.2.1了解实验仪器

师:气垫导轨为何能减小摩擦？

生:从气孔喷出的气流在导轨与滑块间形成气垫,从而减小摩擦(如图3).

图3

师:为了使时间测量误差尽可能小,所以采用了数字计时器和光电门作为计时装置.

教师一边让学生观察实验仪器，一边介绍仪器的原理及使用方法.利用多媒体投影出问题：(1)数字计时器显示的是哪个物理量的数值？

(2) 数字计时器有几种计时方法？现在我们使用的是哪一种方法？

(3) 如何计算滑块通过光电门的速度？

3.2.2设计实验方案

教师引导学生设计实验，研究加速度与质量、合外力的关系,明确其实验原理,并设计表格记录数据.设计完成后,同学之间进行交流，教师要给学生多维互动的交流空间，在合作交流中使学生的思维得到完善和升华，实验步骤如下：

(2)保持滑块质量不变,改变滑块所受的合外力,探究加速度与滑块所受的合外力之间的定量关系,滑块在钩码拉力的作用下做加速运动,由于气垫导轨的摩擦可以忽略,则滑块受到的合外力等于绳子的拉力,而拉力约等于钩码所受重力,即滑块受到的合外力约等于钩码所受重力,通过改变钩码的重量,即可以改变滑块所受到的合外力.实验中需测量滑块质量M、遮光条宽度L和两光电门间的距离s，设计表格如表1所示.

表1　改变钩码的重量

(3) 保持滑块所受的合外力不变,改变滑块的质量,探究加速度与质量的定量关系.保持钩码的质量不变,即保持滑块所受的合外力不变,通过改变加在滑块上的配重块的质量来改变滑块的质量.实验中需测量钩码质量m、滑块受到的合外力F、遮光条的宽度L和两光电门间的距离s，设计表格如表2所示.

表2　改变滑块的质量

3.2.3实验过程

教师请一部分同学到讲台上做实验,其他同学一起记录好实验数据.在实验教学中,培养学生互助的品质,学生是活动的主体,教师不能代替.

生1:实验时,首先要调节气垫导轨的水平.使滑块能停在二光电门的中间处,然后把滑块从轨道的左端轻推一下,使通过二光电门的时间尽量接近,即可认为导轨已调水平了.

生2:用游标卡尺测量遮光条的宽度L,用米尺测出二光电门之间的距离s,用天平称量滑块的质量、配重块的质量、钩码的质量,做好记录.

生3:把数字计时器调到ms挡,将细线的一端系在滑块上,另一端绕过滑轮后挂一钩码,另外将配重块放在滑块上.将滑块置于第一光电门外侧,松开滑块,分别测出滑块通过二光电门的时间t1和t2,并作好记录.

生4:保持滑块的质量不变,逐次增加钩码的质量.重复上述测量并作好记录.

生5:保持钩码的质量不变,即保持滑块的合外力不变,逐次在滑块上增加配置块.重复上述步骤1、2、3.测量并做好记录.

观察是科学探究的基础,是提出问题获得证据或数据的来源.在观察到现象后及时作记录,这是科学研究的最基本方法.

3.2.4处理实验数据，得出结论

生1:对于表1,我们要研究滑块质量不变时的加速度与合外力的关系,可以关注Fa、F/a、F/a2等等,以探究加速度与合外力的定量关系(如表3).

表3　滑块质量不变时加速度与合外力的定量关系

师:我们可以通过这样的方式得出加速度与合外力的关系.

将数据及公式输入Excel里得到数据，信息技术应用于教学过程,可增强学生学习的主动性和灵活性,培养学生自主探究、主动获取知识的能力,实现学习方式的多样化.

生:F/a在误差允许范围内是一个常数,说明了在物体质量一定的情况下,加速度与合外力成正比.

教师:对于表2,我们同样可以用这种方法,如表4所示，将数据及公式输入Excel里得到数据.

表4　滑块质量改变时加速度与质量的定量关系

学:Ma在误差允许范围内是一个常数,说明了物体在合外力一定时,加速度与质量成反比.

师:非常好,接下来我们来看看教材中P84的“讨论与交流2”:针对钩码所受重力不完全等于滑块拉力的问题,同学们有什么解决方案？

生:加速度越大,钩码所受重力与滑块的拉力差别也会越大.要将钩码所受重力近似看做是滑块所受拉力,实验过程中物体的加速度不应太大.由于合力越小,质量越大,加速度就越小,我们可以通过减少钩码的质量,增大滑块质量来控制加速度.

师:建立坐标系,用纵坐标表示物体的加速度,用横坐标分别表示物体所受的合力和物体质量的倒数,根据表3和表4中的实验数据,在图中描出相应的实验数据点.同学们描绘出来的是怎样的？

生:近似一条直线.

师:观察各数据点,看描出的点近似地在一条直线上.但考虑到实验有一定的误差,我们不能直接把数据点连接起来,在误差许可的范围内,我们用一条直线尽量靠近这些点,所以同学们作出的实验图线是对的.

3.3课堂总结

(1) 用比较精确的方法探究加速度与合外力及质量的关系.

(2) 对得到的实验数据进行分析的方法.

(3) 物体质量一定时,加速度与合外力成正比;合外力一定时,加速度与质量成反比.

4　总结

在本教学设计中,主要从引导学生进行实验探究出发,根据教学内容进行教学设计.这样的教学模式不但突现了科学探究的一系列步骤,还抓住了探究学习的核心和本质,是真正意义上的探究式学习,体现了探究式学习的实质与灵魂.

[1] 程功.试论老师激发学生进行物理探究学习的方法[J].科学时代(综合版)，2007，(11):23-24.

[2] 吴惟粤.物理优秀教学设计与案例[M].广州：广东教育出版社,2005:151-157.