探究加速度與力質(zhì)量關(guān)系分組實(shí)驗(yàn)的改良

胡愛和

(張家港市崇真中學(xué) 江蘇 蘇州 215631)

?

探究加速度與力質(zhì)量關(guān)系分組實(shí)驗(yàn)的改良

胡愛和

(張家港市崇真中學(xué) 江蘇 蘇州 215631)

“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”是高中階段最重要的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以往學(xué)生采用分組實(shí)驗(yàn)耗時(shí)過長(zhǎng)，教學(xué)中教師寧愿用動(dòng)畫、視頻代替實(shí)驗(yàn)，談“畫”說理.本文從該實(shí)驗(yàn)的操作、數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行了研究，探索了它的改良方法.

物理實(shí)驗(yàn) 改進(jìn) 逐差法

探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系包含的豐富物理思想以及數(shù)據(jù)處理方法歷來是考查熱點(diǎn).物理教師從沒有間斷過對(duì)該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新:或通過改進(jìn)測(cè)量手段，如借助動(dòng)滑輪裝置(也可以用DIS系統(tǒng))比較精確地測(cè)量合力——不需保證小車和重物間的質(zhì)量關(guān)系；或采用氣墊導(dǎo)軌降低摩擦力帶來的影響等.這些創(chuàng)新開闊了學(xué)生的視野，有利于激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究熱情.但由于器材的成本高,也或是實(shí)驗(yàn)操作更復(fù)雜等因素，上述研究對(duì)分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)并無(wú)太大的裨益.2015年教師網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)中，筆者對(duì)該內(nèi)容的分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置了專題探討，結(jié)果顯示：參與的大部分教師認(rèn)為花兩課時(shí)勉強(qiáng)完成一次實(shí)驗(yàn)，實(shí)在有些“奢侈”(高一物理周課時(shí)3節(jié))；部分教師用動(dòng)畫、視頻代替實(shí)驗(yàn)，談“畫”說理，既節(jié)約了時(shí)間，且在考試中的效果也很不錯(cuò).

要在一課時(shí)內(nèi)基本完成探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的分組實(shí)驗(yàn)探究，在不降低實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，必須對(duì)占據(jù)時(shí)間較多的環(huán)節(jié)進(jìn)行改良，筆者對(duì)其中的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等做了一些摸索，取得了一定進(jìn)展.

1 巧用小鋼夾 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作

如圖1所示，紙帶穿過小車后面的狹縫后用一輕質(zhì)小鋼夾夾住紙帶，打點(diǎn)過程中使紙帶不會(huì)從小車上脫落.打點(diǎn)前，紙帶無(wú)需從紙帶卷中撕斷；每次打點(diǎn)完畢后，拉動(dòng)小鋼夾，將打到點(diǎn)的這一部分紙帶從小車后面的縫隙中抽出再撕斷，然后再用小鋼夾夾住撕斷端，保證紙帶一直穿在小車后的狹縫中；依次重復(fù)上述步驟，就可以源源不斷地打出新的實(shí)驗(yàn)紙帶.與傳統(tǒng)的操作相比，這種操作有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)是可以節(jié)約較多的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，整個(gè)過程紙帶一直穿在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔和小車后面的狹縫中，換紙帶只需拉動(dòng)小鋼夾，節(jié)省了每次紙帶穿過限位孔以及將紙帶固定在小車上的時(shí)間，特別是動(dòng)手能力不強(qiáng)的學(xué)生，省時(shí)的效果更加明顯.筆者在兩個(gè)平行班級(jí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，分別采用了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作和改進(jìn)后的操作，均完成9次打點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，每班任意挑選了7組，讓學(xué)生用停表計(jì)時(shí)，前者平均耗時(shí)9 min 35 s，后者平均用時(shí)5 min 31 s，改進(jìn)后省時(shí)效果明顯.二是節(jié)約紙帶，傳統(tǒng)的操作中，是先撕好紙帶再做打點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，為了避免小車還沒有到達(dá)終端紙帶已經(jīng)打完，撕紙帶時(shí)總是要留出一定的富余；而改進(jìn)后，是先打點(diǎn)后撕斷，這部分富余就不必要了.

圖1 用小鋼夾夾住紙帶

需說明的是，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作改進(jìn)后，當(dāng)研究加速度與質(zhì)量關(guān)系時(shí)，實(shí)驗(yàn)前要用天平稱量小車和小鋼夾的總質(zhì)量作為研究數(shù)據(jù)；再就是在勻變速直線運(yùn)動(dòng)教學(xué)時(shí)就培養(yǎng)學(xué)生用這種固定紙帶的操作方法，這樣在本實(shí)驗(yàn)中才不顯得突兀.

2 簡(jiǎn)化逐差法 巧算加速度

用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等裝置測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的加速度，為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的利用率，減小隨機(jī)誤差的影響， 高中階段通常是運(yùn)用逐差法計(jì)算加速度.一般處理過程是：在紙帶上選取點(diǎn)跡清晰的偶數(shù)段長(zhǎng)度，設(shè)每段的時(shí)間均為t，如圖2所示.

圖2

取平均值得

這樣的計(jì)算由于每處理一張紙帶要測(cè)量多個(gè)長(zhǎng)度，計(jì)算多個(gè)中間結(jié)果，且每位學(xué)生至少要完成4～5張紙帶的計(jì)算過程，必然消耗大量寶貴的課堂教學(xué)時(shí)間；這也是本實(shí)驗(yàn)不能在一課時(shí)內(nèi)完成的主要因素.事實(shí)上，這種計(jì)算加速度的逐差法能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將a1，a2，a3的表達(dá)式代入平均值表達(dá)式，可得

(1)

從表達(dá)式(1)看出，本實(shí)驗(yàn)用逐差法計(jì)算加速度——相當(dāng)于在紙帶上選取了相鄰相等的兩段3t時(shí)間，即將圖2中OC段(x1+x2+x3)作為第一段長(zhǎng)度，CF段(x4+x5+x6)作為第二段長(zhǎng)度，可以這樣理解：逐差法為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，本質(zhì)上就是在紙帶上選取較長(zhǎng)時(shí)間且長(zhǎng)度較長(zhǎng)的相鄰兩段.這為我們?cè)跍p小誤差的前提下直接“讀出”加速度提供了理論依據(jù).

在紙帶上測(cè)量小車發(fā)生的位移，從點(diǎn)跡清晰且間距較大的O點(diǎn)開始，每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)(時(shí)間比較長(zhǎng))，如圖3所示,選取相鄰的OA和AB兩段，時(shí)間間隔t=0.1 s.學(xué)生一般使用毫米刻度尺測(cè)量紙帶長(zhǎng)度，它的單位是厘米，設(shè)兩段距離分別為x1和x2(單位厘米),則物體的加速度為

請(qǐng)注意上式中x2-x1已是加速度的量綱.從表達(dá)過程和結(jié)果看出，若相鄰兩段紙帶的時(shí)間間隔都為0.1 s，則小車加速度的值恰好等于兩段位移的差值.例如圖3中若x1=8.78 cm,x2=9.29 cm，則加速度a=(9.29-8.78) m/s2=0.51 m/s2.用這種簡(jiǎn)單的算法在測(cè)量長(zhǎng)度后幾乎可以直接“讀出”加速度的大小.

圖3

比較原始的逐差法和改良法，兩者都能較大程度地減小偶然誤差，但采用改良法，有三大優(yōu)勢(shì)：一是只需要測(cè)量?jī)啥伍L(zhǎng)度，而傳統(tǒng)的逐差法至少是4段，節(jié)省了測(cè)量時(shí)間；二是減少了中間計(jì)算步驟，傳統(tǒng)的逐差法至少要計(jì)算兩次加速度(只測(cè)量4段長(zhǎng)度)作為中間結(jié)果，然后再取平均值,而改良法僅需一步就能到位；三是簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)運(yùn)算,傳統(tǒng)逐差法，每次代入數(shù)據(jù)計(jì)算加速度的過程非常繁瑣，且容易出錯(cuò)，而改良法中加速度的值只是兩個(gè)長(zhǎng)度的差值，不僅運(yùn)算簡(jiǎn)單，還能保證計(jì)算的正確率.

3 活用多媒體 示范圖像繪制 引導(dǎo)學(xué)生探究物理量間的關(guān)系

探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系是高中階段最重要的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以往采用分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式耗時(shí)太長(zhǎng)，不少教師由于課時(shí)緊張，往往用多媒體演示取代實(shí)驗(yàn)，使得很多學(xué)生缺少了動(dòng)手操作的體驗(yàn)，這不能不說是高中物理教學(xué)中的巨大遺憾.但也提醒了物理教師，實(shí)驗(yàn)研究一方面固然要朝著使結(jié)果精確、器材先進(jìn)等方向改良；另一方面實(shí)驗(yàn)研究更要接地氣，要著眼于優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效益.只有解決了分組實(shí)驗(yàn)耗時(shí)過長(zhǎng)的問題，高中物理教學(xué)才能回歸它的本真，學(xué)生才能真正感受到物理科學(xué)的“實(shí)驗(yàn)味”.

2015-09-21)