“探究加速度力与质量的关系”实验的教学方案

张绍荣

物理学是以实验为基础的自然科学，实验既是高中物理教学的重要内容和环节，也是物理教学的方法和手段，实验可以激发学生的兴趣，更重要的是能培养学生的科学精神和人文品格.笔者结合本实验教学中遇到的几个问题，进行以下的几点思考.

一、课题引入要说明设计实验的必要性

这节内容在教材中的位于牛顿第二定律之前，牛顿第一定律之后.既为学习牛顿第二定律做铺垫，也是牛顿第一定律的进一步拓展和升华.教师在这节课引入时，应该理清这里的承前启后关系，说明为什么要进行这个实验.

具体可以这样引入.通过回顾牛顿第一定律知道,一、力是改变物体运动状态的原因；二、质量决定物体运动状态改变的难易程度.然后举实例（比如汽车启动），把语言叙述转化为物理量之间的关系：力是产生加速度的原因，加速度的大小与质量有关.通过这样的引导猜想加速度与哪些因素有关，（模仿伽利略猜想与逻辑推理的科学研究方法，提高学生的科学素养.）再回归实例体会探究加速度与力和质量关系的必要性.

二、通过问题串设计理解实验方案的合理性

本节实验由以前教材的验证性实验改为现在的探究性实验，要求实验方案在教师的引导下学生自己设计.（一方面加强学生对实验方案的理解，另一方面教给学生科学探究方法）教师可通过问题串的设计引导学生设计实验.

问题1，要测量加速度、质量、力需要哪些器材？

学生会不假思索的回答：

加速度——打点计时器、纸带等；质量——天平、台秤；力——弹簧测力计

问题2，能否把实验装置图画出来？

大多数学生立刻画出装置图1，

问题3，这样的方案实施起来会有哪些问题？如何解决？

学生通过手边的器材经过试验，会讨论得出小车所受的拉力不好控制为恒力（恒力作用下小车才能做匀加速运动，加速度和力才好测量）.接着部分同学通过实验桌上器材的启发能把实验装置换成图2.

问题4,这样就可以了吗？还有没有问题？

分组讨论，小组代表发言，小车运动过程中还受到阻力，并且阻力不好测量，导致小车所受的合力不好确定.

问题5,能否把阻力消除掉？应该怎么做就可以了？

师生共同讨论，阻力不可能被消除，只能效果上等于没有.我们可以把长木板一端垫高，用重力沿斜面向下的分力平衡小车所受的阻力.如图3.

问题6,怎样确定阻力被恰好平衡？该如何操作？

学生结合实验通过桌上的器材，讨论后可以说出，把砝码和砝码盘撤去，然后轻推小车，通过纸带上的点迹是否均匀分布来判断小车是否做匀速直线运动.

实验过程结束之后再追加一个问题：改变小车的质量是否需要重新平衡摩擦力？

对这个问题上很多老师是通过Mgsinθ=μMgcosθ的呈现，让学生理解不需要重新平衡摩擦力.写出这个等式的前提是把小车的阻力都看成是滑动摩擦力，而小车与木板之间是滚动摩擦，且纸带与打点计时器之间也有摩擦，小车质量发生变化也可能引起纸带与打点计时器间摩擦力的变化.这样考虑起来很复杂.学生经过实验的实际操作，知道本实验的装置稳定性不是很好，无论怎样不可能恰好把摩擦力平衡掉，所以改变小车质量，无需再次平衡摩擦力.

三、怎样快速处理数据

1.事先设计数据记录表

学生实验前设计好表格也是课堂教学重要的一环，通过细心的观察了解到，学生先把主要精力放到实验方案的设计上，到进行实验时反而不知实验目的主要是什么，所以方案设计好以后让学生自己设计实验数据的记录表.

实验次数12345

F(N)

a(m/s2)

实验次数12345

F(N)

a(m/s2)

2.快速算出加速度

通过打出的纸带计算小车运动的加速度不是本节课的重点，这个知识在课本第二章学习了，但是很多学生虽然会算但方法不一速度较慢，给整节课的进度带来一定的干扰，这是不必要的.教师再前面课程中肯定都讲过通过纸带求加速度的较准确的一种方法——逐差法，但学生用起来嫌烦，而且计算慢且容易出错.其实可以把逐差法等效为把纸带上的位移数据段一分为二，用Δx=aT2一步解决.

例如：a=(x3+x4)-(x1+x2)(2T)2

3.如何有效描点作图

很多教师在PPT中插入Excel，每输入一组数据图像就自动生成，也有很多教师对此做法大加赞赏，原因是这样新奇.应静下心来想想，这样虽然省事，但忽略了学生得出规律的探究过程.如果不把Excel插入PPT而是直接在Excel中，插入xy散点图，把表格中的数据线描点，然后让学生观察规律，再用直线或光滑曲线拟合，这样更能体现学生探究规律的过程.

四、通过误差分析感受实验的严谨性

以理解，可以在后续课程中慢慢渗透或留给学生课后探究，不可急于一时灌给学生.一方面增加学生负担和学习的疲劳感；另一方面讲了能完全理解的学生很少.所以可在这一节习题上一起总结：这四幅图主要是由于本节实验方案的不完善带来的系统误差，一是绳子上拉力不等于砝码与砝码盘的重力，而是小车所受阻力不容易恰到好处的完全被平衡.甲乙两个图像是平衡摩擦力过了或平衡摩擦力不够导致的.丙丁两个图像弯曲部分是由于不满足砝码与砝码盘的总质量远远小于小车的质量导致的.

本实验对于初上高中的学生来说，有一定难度.教师在实验过程中一定要先让学生自主探究，让实验的知识点和方法在学生的亲身体验中自动生成.教师要对实验要点难点进行适时的恰到好处的点评和总结.

物理学是以实验为基础的自然科学，实验既是高中物理教学的重要内容和环节，也是物理教学的方法和手段，实验可以激发学生的兴趣，更重要的是能培养学生的科学精神和人文品格.笔者结合本实验教学中遇到的几个问题，进行以下的几点思考.

一、课题引入要说明设计实验的必要性

这节内容在教材中的位于牛顿第二定律之前，牛顿第一定律之后.既为学习牛顿第二定律做铺垫，也是牛顿第一定律的进一步拓展和升华.教师在这节课引入时，应该理清这里的承前启后关系，说明为什么要进行这个实验.

具体可以这样引入.通过回顾牛顿第一定律知道,一、力是改变物体运动状态的原因；二、质量决定物体运动状态改变的难易程度.然后举实例（比如汽车启动），把语言叙述转化为物理量之间的关系：力是产生加速度的原因，加速度的大小与质量有关.通过这样的引导猜想加速度与哪些因素有关，（模仿伽利略猜想与逻辑推理的科学研究方法，提高学生的科学素养.）再回归实例体会探究加速度与力和质量关系的必要性.

二、通过问题串设计理解实验方案的合理性

本节实验由以前教材的验证性实验改为现在的探究性实验，要求实验方案在教师的引导下学生自己设计.（一方面加强学生对实验方案的理解，另一方面教给学生科学探究方法）教师可通过问题串的设计引导学生设计实验.

问题1，要测量加速度、质量、力需要哪些器材？

学生会不假思索的回答：

加速度——打点计时器、纸带等；质量——天平、台秤；力——弹簧测力计

问题2，能否把实验装置图画出来？

大多数学生立刻画出装置图1，

问题3，这样的方案实施起来会有哪些问题？如何解决？

学生通过手边的器材经过试验，会讨论得出小车所受的拉力不好控制为恒力（恒力作用下小车才能做匀加速运动，加速度和力才好测量）.接着部分同学通过实验桌上器材的启发能把实验装置换成图2.

问题4,这样就可以了吗？还有没有问题？

分组讨论，小组代表发言，小车运动过程中还受到阻力，并且阻力不好测量，导致小车所受的合力不好确定.

问题5,能否把阻力消除掉？应该怎么做就可以了？

师生共同讨论，阻力不可能被消除，只能效果上等于没有.我们可以把长木板一端垫高，用重力沿斜面向下的分力平衡小车所受的阻力.如图3.

问题6,怎样确定阻力被恰好平衡？该如何操作？

学生结合实验通过桌上的器材，讨论后可以说出，把砝码和砝码盘撤去，然后轻推小车，通过纸带上的点迹是否均匀分布来判断小车是否做匀速直线运动.

实验过程结束之后再追加一个问题：改变小车的质量是否需要重新平衡摩擦力？

对这个问题上很多老师是通过Mgsinθ=μMgcosθ的呈现，让学生理解不需要重新平衡摩擦力.写出这个等式的前提是把小车的阻力都看成是滑动摩擦力，而小车与木板之间是滚动摩擦，且纸带与打点计时器之间也有摩擦，小车质量发生变化也可能引起纸带与打点计时器间摩擦力的变化.这样考虑起来很复杂.学生经过实验的实际操作，知道本实验的装置稳定性不是很好，无论怎样不可能恰好把摩擦力平衡掉，所以改变小车质量，无需再次平衡摩擦力.

三、怎样快速处理数据

1.事先设计数据记录表

学生实验前设计好表格也是课堂教学重要的一环，通过细心的观察了解到，学生先把主要精力放到实验方案的设计上，到进行实验时反而不知实验目的主要是什么，所以方案设计好以后让学生自己设计实验数据的记录表.

实验次数12345

F(N)

a(m/s2)

实验次数12345

F(N)

a(m/s2)

2.快速算出加速度

通过打出的纸带计算小车运动的加速度不是本节课的重点，这个知识在课本第二章学习了，但是很多学生虽然会算但方法不一速度较慢，给整节课的进度带来一定的干扰，这是不必要的.教师再前面课程中肯定都讲过通过纸带求加速度的较准确的一种方法——逐差法，但学生用起来嫌烦，而且计算慢且容易出错.其实可以把逐差法等效为把纸带上的位移数据段一分为二，用Δx=aT2一步解决.

例如：a=(x3+x4)-(x1+x2)(2T)2

3.如何有效描点作图

很多教师在PPT中插入Excel，每输入一组数据图像就自动生成，也有很多教师对此做法大加赞赏，原因是这样新奇.应静下心来想想，这样虽然省事，但忽略了学生得出规律的探究过程.如果不把Excel插入PPT而是直接在Excel中，插入xy散点图，把表格中的数据线描点，然后让学生观察规律，再用直线或光滑曲线拟合，这样更能体现学生探究规律的过程.

四、通过误差分析感受实验的严谨性

以理解，可以在后续课程中慢慢渗透或留给学生课后探究，不可急于一时灌给学生.一方面增加学生负担和学习的疲劳感；另一方面讲了能完全理解的学生很少.所以可在这一节习题上一起总结：这四幅图主要是由于本节实验方案的不完善带来的系统误差，一是绳子上拉力不等于砝码与砝码盘的重力，而是小车所受阻力不容易恰到好处的完全被平衡.甲乙两个图像是平衡摩擦力过了或平衡摩擦力不够导致的.丙丁两个图像弯曲部分是由于不满足砝码与砝码盘的总质量远远小于小车的质量导致的.

本实验对于初上高中的学生来说，有一定难度.教师在实验过程中一定要先让学生自主探究，让实验的知识点和方法在学生的亲身体验中自动生成.教师要对实验要点难点进行适时的恰到好处的点评和总结.

物理学是以实验为基础的自然科学，实验既是高中物理教学的重要内容和环节，也是物理教学的方法和手段，实验可以激发学生的兴趣，更重要的是能培养学生的科学精神和人文品格.笔者结合本实验教学中遇到的几个问题，进行以下的几点思考.

一、课题引入要说明设计实验的必要性

这节内容在教材中的位于牛顿第二定律之前，牛顿第一定律之后.既为学习牛顿第二定律做铺垫，也是牛顿第一定律的进一步拓展和升华.教师在这节课引入时，应该理清这里的承前启后关系，说明为什么要进行这个实验.

具体可以这样引入.通过回顾牛顿第一定律知道,一、力是改变物体运动状态的原因；二、质量决定物体运动状态改变的难易程度.然后举实例（比如汽车启动），把语言叙述转化为物理量之间的关系：力是产生加速度的原因，加速度的大小与质量有关.通过这样的引导猜想加速度与哪些因素有关，（模仿伽利略猜想与逻辑推理的科学研究方法，提高学生的科学素养.）再回归实例体会探究加速度与力和质量关系的必要性.

二、通过问题串设计理解实验方案的合理性

本节实验由以前教材的验证性实验改为现在的探究性实验，要求实验方案在教师的引导下学生自己设计.（一方面加强学生对实验方案的理解，另一方面教给学生科学探究方法）教师可通过问题串的设计引导学生设计实验.

问题1，要测量加速度、质量、力需要哪些器材？

学生会不假思索的回答：

加速度——打点计时器、纸带等；质量——天平、台秤；力——弹簧测力计

问题2，能否把实验装置图画出来？

大多数学生立刻画出装置图1，

问题3，这样的方案实施起来会有哪些问题？如何解决？

学生通过手边的器材经过试验，会讨论得出小车所受的拉力不好控制为恒力（恒力作用下小车才能做匀加速运动，加速度和力才好测量）.接着部分同学通过实验桌上器材的启发能把实验装置换成图2.

问题4,这样就可以了吗？还有没有问题？

分组讨论，小组代表发言，小车运动过程中还受到阻力，并且阻力不好测量，导致小车所受的合力不好确定.

问题5,能否把阻力消除掉？应该怎么做就可以了？

师生共同讨论，阻力不可能被消除，只能效果上等于没有.我们可以把长木板一端垫高，用重力沿斜面向下的分力平衡小车所受的阻力.如图3.

问题6,怎样确定阻力被恰好平衡？该如何操作？

学生结合实验通过桌上的器材，讨论后可以说出，把砝码和砝码盘撤去，然后轻推小车，通过纸带上的点迹是否均匀分布来判断小车是否做匀速直线运动.

实验过程结束之后再追加一个问题：改变小车的质量是否需要重新平衡摩擦力？

对这个问题上很多老师是通过Mgsinθ=μMgcosθ的呈现，让学生理解不需要重新平衡摩擦力.写出这个等式的前提是把小车的阻力都看成是滑动摩擦力，而小车与木板之间是滚动摩擦，且纸带与打点计时器之间也有摩擦，小车质量发生变化也可能引起纸带与打点计时器间摩擦力的变化.这样考虑起来很复杂.学生经过实验的实际操作，知道本实验的装置稳定性不是很好，无论怎样不可能恰好把摩擦力平衡掉，所以改变小车质量，无需再次平衡摩擦力.

三、怎样快速处理数据

1.事先设计数据记录表

学生实验前设计好表格也是课堂教学重要的一环，通过细心的观察了解到，学生先把主要精力放到实验方案的设计上，到进行实验时反而不知实验目的主要是什么，所以方案设计好以后让学生自己设计实验数据的记录表.

实验次数12345

F(N)

a(m/s2)

实验次数12345

F(N)

a(m/s2)

2.快速算出加速度

通过打出的纸带计算小车运动的加速度不是本节课的重点，这个知识在课本第二章学习了，但是很多学生虽然会算但方法不一速度较慢，给整节课的进度带来一定的干扰，这是不必要的.教师再前面课程中肯定都讲过通过纸带求加速度的较准确的一种方法——逐差法，但学生用起来嫌烦，而且计算慢且容易出错.其实可以把逐差法等效为把纸带上的位移数据段一分为二，用Δx=aT2一步解决.

例如：a=(x3+x4)-(x1+x2)(2T)2

3.如何有效描点作图

很多教师在PPT中插入Excel，每输入一组数据图像就自动生成，也有很多教师对此做法大加赞赏，原因是这样新奇.应静下心来想想，这样虽然省事，但忽略了学生得出规律的探究过程.如果不把Excel插入PPT而是直接在Excel中，插入xy散点图，把表格中的数据线描点，然后让学生观察规律，再用直线或光滑曲线拟合，这样更能体现学生探究规律的过程.

四、通过误差分析感受实验的严谨性

以理解，可以在后续课程中慢慢渗透或留给学生课后探究，不可急于一时灌给学生.一方面增加学生负担和学习的疲劳感；另一方面讲了能完全理解的学生很少.所以可在这一节习题上一起总结：这四幅图主要是由于本节实验方案的不完善带来的系统误差，一是绳子上拉力不等于砝码与砝码盘的重力，而是小车所受阻力不容易恰到好处的完全被平衡.甲乙两个图像是平衡摩擦力过了或平衡摩擦力不够导致的.丙丁两个图像弯曲部分是由于不满足砝码与砝码盘的总质量远远小于小车的质量导致的.

本实验对于初上高中的学生来说，有一定难度.教师在实验过程中一定要先让学生自主探究，让实验的知识点和方法在学生的亲身体验中自动生成.教师要对实验要点难点进行适时的恰到好处的点评和总结.