“加速度与力、质量的关系”实验探究课设计的改进

曹卫华

(南通市小海中学,江苏南通 226015)

牛顿第二定律是力学知识的核心内容,加速度是连接动力学和运动学的一座桥梁.基于目前实验教学在整个高中物理教学中的地位以及对学生设计实验和分析实验的能力要求的加强,在教学中让学生掌握实验探究的一般流程,即进行合理猜想、设计实验探究、进行科学实验、实验数据分析、得出实验结论这一过程是很有必要的.笔者最近执教了一堂关于“加速度与力、质量的关系”的实验探究课.教学设计的重点在于实验的设计和数据分析与处理上.下面简要阐述这堂课的设计与操作,期盼同行们的合作与交流.

实验设计的灵感来自于2007年江苏高考题:如图1,质量为M的滑块A放在气垫导轨B上,C为位移传感器,它能将滑块 A到传感器C的距离数据实时传送到计算机上,经计算机处理后在屏幕上显示滑块 A的位移-时间(s-t)图像和速率-时间(v-t)图像.整个装置置于高度可调节的斜面上,斜面的长度为 L、高度为 h.(取重力加速度g=9.8 m/s2,结果可保留1位有效数字)

图1

该题中第2问为:此装置还可用来验证牛顿第二定律,实验时通过改变________,可验证质量一定时,加速度与力成正比的关系;实验时通过改变_______,可验证力一定时,加速度与质量成反比的关系.

现行人教版高中物理教材中对于“加速度与力、质量的关系”的探究是通过两种方式进行处理的:一种是利用两辆小车的对比实验,将加速度的比较转化为相同时间内位移的比较进行处理,但是该方法由于实际操作时偶然误差比较大,加之学生不易参与到实验中来,实验效果较差;另一种是利用托盘拖动小车,结合打点计时器对纸带打点,通过对打点纸带计算求得加速度,进而得出加速度 a与质量m、力F的定量关系,但实验操作时,由于不能很好地满足小车质量远大于托盘与砝码的总质量,系统误差相对较大,再则实验时间较长,教学效率较低.鉴于此,笔者结合该高考题,对实验装置做了重新设计,具体实验装置如图2所示.

图2

所用实验器材有:电子秤、数字计数器(可直接读出加速度值)、光电门(两个)、气垫导轨、滑块、气泵、玻璃垫片(厚度相同)、金属砝码.

图3

表1

通过数据分析,学生很容易发现:在质量 m一定的情况下,加速度a与力F大致成正比关系.除了数据分析以外,利用图线分析可以比较直观地观测实验结果,便于寻找事物之间的变化规律.学生通过作 a-F图线(图 4),发现该图线是一条几乎通过原点的倾斜直线.在误差允许的范围内同样可以得出:在质量 m一定的情况下,加速度 a与力F成正比关系的结论.

图4

表2

图5

图6

以上是笔者所设计的“加速度与力、质量的关系”的探究课.实验教学是提高学生学习兴趣、激发学生学习潜能和创新意识的有效途径.作为物理教师,平时做一个对生活“留意”的人、对物理“思考”的人,就会发现,物理实验设计的灵感来源途径很多.