从过程与方法维度重构物理实验教学——以探究物体获得的加速度与合外力、质量的关系为例

赵自强

河南省郑州市第四中学(450000)

探究物体获得的加速度与合外力、质量的关系是高中物理中非常重要的实验，也是高考考试说明中要求做的实验。课程标准对本实验的要求是：通过实验测量加速度、力、质量，分别作出表示加速度与力、加速度与质量的关系图像，根据图像写出加速度与力、质量的关系式,体会探究过程中所用的科学方法。本实验对学生的要求比较高，要求学生经历定量探究的过程，掌握控制变量法、图像法以及作图过程中“化曲为直”等思想，且实验操作难度大、数据处理误差大，学生在实验中的表现往往不如人意。所以，不少教师在教学中对本实验采取“避让”策略。主要表现有：①重结论轻过程,没有认真组织实验，而是“一笔带过”，直接告诉学生探究结论;②忽视实验数据的分析与处理,虽然学生做了实验，但做完实验后，没有认真分析、处理实验数据，学生缺乏必要的思考，实验教学效果较差;③轻视做实验，而过度重视实验题的训练，认为“做实验不如做实验题”，让学生做很多实验题，而实验探究本身却没落到实处，实验教学成无根之木。以上种种表现严重忽视了实验探究的重要性，与新课程理念不符。学生只有真正参与到实验中，才有可能有所思、有所悟，才能对实验原理、操作步骤等内容理解透彻，才会提高相应的能力。

1 问题引路，明晰原理

以物理实验设计呈现问题，搭建思维起点的台阶，使学生感受到情景中的问题，有疑虑而提出问题，师生以问题链为主线来开展教学活动。在实验之前应该向学生提出问题，以问题为任务驱动，引导学生对实验进行充分思考，通过思考明晰实验原理、方法，为设计方案、理解步骤、处理数据、分析误差等奠定基础。否则，学生只是在教师、教材要求的步骤之下按部就班地完成实验操作。缺乏深入思考就进行的实验，只是见过、使用过实验器材，进行实验题训练时知道题目说的是什么，无法达到经历探究过程、习得物理方法的教学效果。

1.1 为什么要探究加速度与合外力、质量之间的关系

为何要探究的是加速度与力、质量的之间的关系，而不是加速度与其他物理量之间的关系。通过这一问题，促进学生对所学的牛顿第一定律进行深度思考。一切物体任何时候都具有惯性，质量是惯性大小的量度，质量是“抗拒”改变物体运动状态的唯一的“内因”，力是“主动”改变物体运动状态的唯一“外因”，而运动状态改变(速度的变化)的快慢，用加速度来描述。所以，加速度只与合外力、质量有关。

1.2 探究加速度与合外力、质量之间的关系应采用什么方法

物理中对多变量问题，常采用控制变量法，把多变量问题变成多组单变量问题，只改变其中某一个变量，从而研究这个变量对结果的影响，分别加以研究，最后再综合得到结论。本问题的思考，旨在促进学生理解控制变量法这一重要物理方法，为后面设计实验方案、理顺操作步骤做出铺垫。本实验中，需要分别探究：小车质量不变时，改变合外力，探究加速度与合外力的关系；小车所受合外力不变时，改变小车质量，探究加速度与小车质量的关系。

1.3 应该让小车做什么样的运动

为了测量的简单和操作的方便应该让小车受到恒定外力的作用，做匀加速直线运动。通过对这一问题的思考，让学生知道只有当物体做匀变速直线运动时，小车的瞬时加速和平均加速度才相等。

1.4 如何测量、改变小车的质量

小车的质量用天平直接测量。根据控制变量法，在探究小车的加速度与质量的关系时，需要控制小车的合外力不变，通过添加钩码的方法改变小车的质量。

1.5 如何确定、测量、改变合外力

要让小车做匀加速直线运动，对小车受到的合外力有何要求，如何确定、测量、改变合外力是本实验的关键。学生对此比较疑惑，也不清楚在一个匀变速直线运动中该如何给小车提供一个恒定的合外力。在教学中，教师只有通过设置问题，引导学生思考后，给学生讲透彻该怎么做、为何要这样做，学生才会对实验原理、实验步骤有深刻的理解和准确的把握。

本实验中，通过细线跨过滑轮悬挂重物来提供小车做匀加速运动的拉力，测量拉力的大小可以通过拉力传感器，或者悬挂重物以重物的重力替代拉力。重力替代拉力需要满足悬挂物体的质量远远小于小车的质量，此时小车匀加速的加速度不够大，拉力才近似等于悬挂物的重力。要改变拉力，只要改变悬挂物体的质量即可。

在本实验中，小车受到摩擦力、重力、支持力、拉力，如果小车在水平面上运动需要测出其受到的拉力和摩擦力，测量难度较大，为此需要想办法把摩擦力“消除”，小车受到的合外力就等于拉力。要“消除”摩擦力常采用的方法有：①把轨道一端垫高，让小车重力沿斜面向下的分力等于摩擦力，即mgsinθ=μmgcosθ，平衡的标准是轻推一下小车，小车做匀速直线运动；②采用气垫导轨，使得滑块与轨道之间的正压力趋于零，摩擦力近似等于零。

1.6 如何测量加速度

2 明确原理，设计方案

通过上述问题引导学生思考，理清实验原理，明晰了实验方法，为实验方案的得出奠定了坚实的基础。只要学生考虑透彻上述问题，实验方案的得出就水到渠成，无需教师照本宣科告诉学生实验原理和实验方案。让学生在思考的基础上得出实验方案，教学效果更佳。本实验学生可以得到如下两个基础方案：长木板打点计时器方案，如图1所示；气垫导轨光电门方案，如图2所示。

图1 长木板打点计时器实验装置图

图2 气垫导轨光电门实验装置图

方案1中利用打点计时器打出纸带测量加速度，用小盘和砝码的重力mg代替细线的拉力。需要满足小盘和砝码的质量远远小于小车的质量，即m≪M。细线要与长木板平行，垫高打点计时器的一端平衡摩擦力。方案2中需要满足钩码的质量远远小于滑块的质量，但无需采用垫高轨道的方法平衡摩擦力。

在设计方案的过程中，教师可以让学生尝试和同伴一起讨论写出实验步骤。学生写出的实验步骤肯定不完善，但只要主要的步骤清晰即达到目的。学生写完之后，再以个别组的实验步骤为例，师生一起修改、完善。这样避免了照本宣科，提高了学生的课堂参与程度。

3 反思误差，升华理解

设计好实验方案后，让学生选择实验方案进行分组实验。一般而言，学校配置较多的是长木板打点计时器方案中的器材，而光电门气垫导轨方案中的器材一般学校都只配备几套，因器材不够无法开展分组实验。教学中可以让学生按照长木板打点计时器方案分组实验，同时给学生提供几套光电门气垫导轨方案的器材，学生完成方案1的实验后，可自主选择采用方案2完成实验。

反思与评价是科学探究的重要环节，更是学生对自己探究结论可靠性的分析与评价过程。所以，实验之后的反思是必不可少的。鉴于本实验数据

4 拓展延伸，改进实验

为了拓宽学生视野，拓展学生知识面，实验完成后需要在重视学情，尊重教材的基础上，从实验器材、实验方案、操作步骤、数据处理等方面对实验进行拓展延伸，对实验进行改进和创新。以本实验为例，可以对拉力大小的测定进行适度拓展。上述两个实验方案中，都是用所悬挂重物的重力来代替细线的拉力，都想办法“消除”了摩擦力，使悬挂重物的重力就是研究对象(小车或滑块)的合外力。这两个方案中都要求悬挂重物的质量远远小于研究对象的(小车或滑块)质量。可向学生提出问题：能否不需要满足条件m≪M也能完成实验。对此可以引导学生得出如下两个方案，弹簧测力计方案和力的传感器方案，分别如图3、图4所示。然后，让学生进一步改进两个实验方案。还可以在器材上有所创新，用传感器与计算机相连接，可直接得出小车的加速度，数据处理更快、更准。

图3 弹簧测力计实验装置图

图4 力的传感器实验装置图