精准设问培养学生物理思维

邹央云

一、设计依据

新教材编写中，注重在学习概念、规律的同时，培养学生的核心素养。物理核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”。让学生经历探究加速度与力、质量的关系的设计过程，引导从牛顿第一定律出发，提出探究加速度与力、质量关系的必要性，从中让学生清楚两个物理观念：一、运动是物质的一种属性，物质维持其原有运动方式不变的属性称为惯性。二、物质之间是相互联系的，物质之间存在着相互作用，这种作用称为力，它是导致物质运动方式发生改变的原因。为小车施加恒定且恒定且便于测量的力时，让槽码质量远小于小车的质量，减小加速度，使得槽码的重力与槽码对小车的拉力近似相等，这是一种抓住事物的主要方面、忽略次要方面研究问题的思维方法。在方案设计中用启发式的语言精准设问，推动学生逐步进行推理分析、发现问题、制定解决方案、训练思维，形成主动探究的意识，养成探究习惯。

二、教材分析

教科书引导学生从牛顿第一定律出发，提出探究加速度与力、质量关系的必要性，并从实验思路设计、物理量的测量、实验过程和数据分析几个方面引导学生完成探究。实验的基本思路并不难，因此整个教学过程应该更加重视让学生体会探究的实质：鼓励学生提出科学问题；设计更多的实验方案；引导学生解决实验中遇到的问题；尝试用多种方法处理数据，基于实验数据得出结论；以及培养学生对探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。

三、教学设计

（一）探究加速度与力、质量关系的必要性

牛顿第一定律告诉我们，力是改变物体运动状态的原因，速度是描述物体运动状态的物理量，运动状态改变的定量表达就是速度改变了，而这一改变一定对应一个过程即需要一段时间间隔，所以有加速度，由此可以说力是产生加速度的原因。牛顿第一定律还告诉我们物体具有保持匀速直线运动状态或静止状态的属性即惯性，而衡量惯性的量度是质量，也就是说质量越大“抵抗”运动状态改变的能力就越强。这说明，加速度与力、质量之间必然存在一定的关系，我们有探究加速度和力、质量之间关系的必要性。

（二）实验思路

要完成这个探究实验，你有哪些问题？譬如这个实验需要测量哪些物理量？测量加速度、质量、力

可以用什么仪器测量这些物理量？弹簧测力计或力传感器测量力，天平测量质量，打点计时器或频闪照片或光电门测量加速度

测量哪个研究对象的加速度、质量和力？同一个研究对象，比如轨道小车

什么样的装置可以同时测量轨道小车的加速度、质量和力？图4.2-1所示装置可以完成这个探究实验。将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车在槽码的牵引下运动。

在这个实验中，通过测力计用手直接给小车施加一个恒力是否可行？

在这个实验中，牵引小车的线绳连接力传感器是否可行？

这个装置中小车质量和细绳拉力对小车加速度都有影响，要如何区分？用控制变量法，保持小车质量不变，通过改变槽码的个数改变小车所受拉力。测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度与拉力的变化情况，找出二者之间的定量关系。保持小车所受的拉力不变，通过在小车上增加重物改变小车的质量。测得不同质量的小车在这个拉力下运动单位加速度，分析加速度与质量的变化，找出二者的定量关系。

在保持小车所受拉力不变时，为什么是通过“增加重物”改变小车质量？

小车所受的拉力与槽码的重力是否相等？小车匀加速运动时，槽码重力一定大于拉力，当槽码的质量要比小车的质量小很多时，可认为这两个力近似相等，可用运动学知识定性分析，不要求定量证明。

细绳对小车的拉力是小车所受的合力吗？

如何得到小车所受的合力？学生一般想到的是测出摩擦力

如何让细绳拉力成为小车所受合力？让小车所受重力、支持力和摩擦力的合力为0，然后再施加拉力。提出阻力补偿的方案

在控制变量法中，当增加小车质量后是否需要重新补偿阻力？

实验装置中如何确保槽码拉小车的力是恒力？

在分析探讨以上这些问题后，得出实验室采用的参考案例1，学生就很容易接受。

你还有其他方案吗？它们有哪些优点和不足？……

（三）实验数据分析

为了更加直观的判断加速度a与拉力F的定量关系，我们以a为纵坐标、F为横坐标建立直角坐标系。根据各组实验数据在坐标纸上描点。如果这些点在一条过原点的直线附近，说明加速度a与拉力F成正比。如果不是这样，则需进一步分析。

为了分析加速度a与质量m的定量关系，我们同样需要建立直角坐标系。我们可以定性判断出质量m越大，加速度a越小。从最简单的情况入手，检验是否“a与m成反比”。我们很难从“a-m图像”直观看出是否为双曲线，如何解决这个问题？作“a-1/m图像”进行检验。如果检验结果是过原点的直线，就可以判断加速度a与质量m是成反比。

四、教学反思

关于新器材、新技术在探究实验中的使用。随着传感器的广泛使用，我们高中物理实验中的很多器材也可以用传感器来替代，从而使得实验操作更加简单、数据更加准确、数据处理更加便捷，甚至可以规避了原来的实验方案中所可能存在的问題。比如说我们在该实验中是用所挂槽码的重力来替代绳子对小车的拉力，由于小车的实际运动不是平衡状态，所以绳子中拉力略小于槽码重力。而如果是在绳子与小车连接处使用力传感器，则可以直接得到绳子中的拉力，从而规避了这个重力与拉力不等的问题。不过，从培养学生思维能力的目的出发，教材所提供的探究示例是很好的，不应该被所谓的新器材所带来的便捷实验所替代。