探究“加速度与力、质量的关系”实验创新.pdf

第2 0 卷总第1 1 5 期中学理科园地实验教学探究“加速度与力、质量的关系”实验创新陈智慧,叶晴莹,苏超,叶丽萍,吴志明,陈水源1（1.福建师范大学物理与能源学院2.厦门大学物理科学与技术学院）摘要：实验是将理论知识应用于实际情境的有效途径。通过实验，学生可以将抽象的理论知识与实际现象相结合，加深对知识的理解和应用能力。文章从创新实验入手，对教材中“探究加速度与力、质量的关系”实验进行了改造，以帮助学生更好地理解这三个物理量之间的关系。并将创新实验融入了物理教学，培养学生的科学探究能力，进一步提高学生的物理核心素养。关键词：高中物理；创新实验；加速度；力；质量1教材实验的解析教图片材人教版纸袋打点计时器教科版鲁科版沪科技版沪科教版粤教版钩码拿TRR必修一“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验是高中物理必做实验之一。此外，普通高中物理课程标准在学业要求方面进一步提出，学生要学会使用基本的力学实验器材、分析处理实验数据，并能根据相关物理图像描述实验数据，能根据实验现象和数据得出正确的实验结论。学生还需具备以下关键能力：科学实验探究问题的能力、制定合理的实验方案的能力以及控制变量的意识和误差分析意识。为帮助学生理解加速度与力，质量关系的概念，达到课标要求，不同教材中对小车加速度与力、质量关系的实验探究方案有不同的处理。如表1 教材实验分析所示。表1 教材实验分析实验内容将一个与码相连的小车放在水平木板上，小车在码的牵引力下运口水平轨道DIS位移传感器水平轨道纸袋打点计时器光电门2光电门1，遮光条滑块S气垫导轨实验特色运采用了控制变量法进行实在探究过程中摩擦力对实动，通过改变码质量或小车质量量验探究来探究加速度与力、质量的关系将一个与码相连的小车放在斜木利用了控制变量法，阻力板上，利用阻力补偿法来探究加速补偿法，以及打点计时器力度与力、质量的关系将小车置于斜面上，利用DIS位移DIS数字传感器可直接得传感器直接测量加速度的大小，阻出出加速度大小，读数精准，力补偿法减弱摩擦力对实验的影响节约时间将一个与码相连的小车放在水平引人不同的测量加速度方口木板上，引人分体式位移传感器、屏法，开拓学生科学思维，提闪照片测量物体加速度的方法将一个与码相连的小车放在倾斜木板上，小车在码的牵引力下运动，利用打点计时器测物体加速度将一个与槽码相连的小车放在水平木板上，小车在码的牵引力下运利用气垫导轨减小摩擦力动，利用光电门来测量物体的加速对实验的影响，光电门迅度，气垫导轨来减弱摩擦力对本实速准确测量加速度验的影响难点验的影响较大加速度的计算较复杂计算加速度只有当小车质量M远大于码质量时，物体所受拉力才能近似等于码的重力学生可探究的范围太大，实验结果不可控高学生科学探究能力只有当小车质量M远大采用了控制变量法和阻力于码质量时，物体所补偿法受拉力才能近似等于码的重力学生无法用肉眼观察出加速度的变化2022年福建师范大学研究生教育精品课程项目：普通物理专题研究课程思政示范课(zlgc202202003)研究成果*通讯作者62第2 0 卷总第1 1 5 期通过以上分析发现不同版本教材对实验的描述都不同，粤教版和鲁科版用到了数字化实验器材，在探究过程中可以直接得出加速度的大小，使实验数据更精确，但是学生可进行自主探究的范围小。其他版本教材能够得出较准确的实验数据，验证实验猜想得出实验结论，但是存在实验现象不够明显，数据处理略显繁琐，摩擦力所产生的系统误差较难以克服等困难。六个版本新教材均采用悬吊钩码来提供对小车的拉力，定滑轮连接减小摩擦力对实验的影响，并强调当钩码质量远小于小车质量时，则认为钩码重力与小车所受合力近似相等。但是，教材中未进一步说明为什么“钩码质量需要远小于小车质量,而这往往是学生最大的疑惑点 2。为解决上述问题，使学生更好地理解此探究实验，笔者在教材传统实验的基础上，自制了创新实验装置。2自制实验装置介绍在分析表1 的基础上，设计了图1 所示的实验装置图。该装置可实现如下探究。2.1探究加速度与力的关系如图1 所示，在两个倾角不同的斜面上分别放置两质量m相同的小车。通过改变斜面的倾角，使小车在沿斜面方向上所受合力F=mgsin0-umgcos0不同。在相同时间内，小车受到不同的力，加速度也有所区别。由于最初小车静止在斜面上，而相同时间内两小车的位移变化量=可测,因此可通过观察相同时间内，两小车2运动的位移大小得到两小车加速度大小的关系。根据F=ma，从而探究质量一定时，加速度与力F的关系。2.2探究加速度与质量的关系如图1，两小车内可加不同质量的码，为了保证小车在运动时，受到沿斜面方向上的力F=mgsino-umgcoso相同，可以通过调整斜面角度控制。根据两小车的位移变化量=2at,测得x,根据F=ma,即可探究力一定时,加速度与质量m的关系。光电门3自制实验装置的优点、注意事项3.1自制实验装置的优点该实验与教材上的传统实验有很大的区别，最明显的区别是此实验采取了对照实验法。左右两小车在运动过程中形成对照，使学生可以明显观察到两小车运动的快慢，即速度的大小。并且学生既能通过肉眼判断物体加速度的大小，又能用物理量之间的关系计算加速度理论值，还可以利用光电63中学理科园地门直接读出加速度的实际值。这三种比较加速度大小的方法，有利于引导学生将实验数据的理论值和实际值进行对比，提高学生的误差分析能力，培养学生严谨认真，实事求是的科学态度。引人该创新实验，可给学生带来显著的视觉体验。学生能直观地感受到小车加速度的变化，通过实时观察和记录加速度与力、质量之间的关系，进一步对牛顿第二定律公式进行推导，加深对牛顿第二定律公式的理解。这种视觉化的数据呈现方式可以增强学生对实验结果的理解和记忆，并激发他们的探究兴趣。此实验方案是对传统实验方案的创新突破，针对传统实验中存在的相关问题，从研究对象、测量手段、实验原理3 个方面对实验方案进行了改进和优化3 。3.2注意事项(1)探究加速度与质量的关系时，在调整角度使小车受到同等大小力的过程中，其对角度的计算可利用数学软件来完成。角度大小的调整则可以通过手机软件phyphox来完成。（2）此实验可通过光电门直接读出加速度实际值的大小，而加速度的理论值需要学生根据已有力学知识来计算，计算过程需要教师引导学生通过实验目的来设计表格，把测得的数据经过计算填在表中，以此来分析加速度与力、质量之间的关系。(3)为比较同一时刻两物体运动的快慢，可以在轨道上利用电磁铁开关控制小车的运动初始时刻。通电磁开关吸引小车，使其静止在斜面上，断电后两小车同时开始运动，以此实现两个小车从静止到运动的初始时刻相同，从而通过比较物体运动的距离判断物体运动的加速度。4总结研究从几个不同版本教材人手，将实验进行了对比分析，在传统实验的基础上，引入了创新实验，此创新实验的核心思想在于通过设计更具可观性和探究性的实验环节，增加学生对加速度与力、质量关系的深入理解。本文优化了实验步骤，在实验中，引人了新的实验器材和测量工具，以增加实验的准确性，并鼓励学生用多种角度和方法解释实验现象。创新性实验能够促使学生灵活运用先前学过的物理知铁架台识，来解决新的物理问题。在日常作业训练中，以创新性实验小车题的方式对学生进行考察，还能够培养学生主动建构知识和光电门解决复杂问题的能力,并进一步激发他们在学习中的积极性可调节旋钮和求知欲望。图1 实验装置图参考文献：1中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2 0 1 7 版)S.北京：人民教育出版社,2 0 1 8:1.2吕艳坤“探究加速度与力、质量的关系”实验方案的述评与改进 J.物理教学探讨,2 0 2 3,4 1(3):4 5-4 7,5 1.3汪小明.创新实验方案培育学科素养：探究加速度与力、质量的关系实验方案的改进 J物理教师,2 0 1 9,4 0(1 2):4 6-4 9.实验教学