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      “探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)實(shí)錄

      2017-12-09 00:02:04白凡
      考試周刊 2017年10期
      關(guān)鍵詞:合作探究創(chuàng)新

      白凡

      摘 要:牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律, 學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究加速度、質(zhì)量、力三者的關(guān)系,滿足了學(xué)生的好奇心和求知欲,學(xué)生先學(xué)習(xí)教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路,明確實(shí)驗(yàn)的原理和基本方向,再自行設(shè)計(jì)并展開自助式實(shí)驗(yàn),為學(xué)生創(chuàng)造環(huán)境,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)像科學(xué)家那樣思維,自己構(gòu)想實(shí)驗(yàn)方法,從物理現(xiàn)象的觀察和物理實(shí)驗(yàn)的研究分析中歸納出結(jié)論,使學(xué)生的思維得到訓(xùn)練。

      關(guān)鍵詞:自主設(shè)計(jì);創(chuàng)新;合作探究

      在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》共同必修模塊“物理1”中涉及本節(jié)的內(nèi)容有:“通過實(shí)驗(yàn),探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系,理解牛頓第二定律?!?即要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),探究加速度、質(zhì)量、力三者的關(guān)系,強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程。

      牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律,動(dòng)力學(xué)又是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ),也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)熱學(xué)、電學(xué)等其他部分知識(shí)所必須掌握的內(nèi)容,所以牛頓第二定律是本章的中心內(nèi)容,更是本章的教學(xué)重點(diǎn)。同時(shí)也是必修一整本書的制高點(diǎn)。

      在學(xué)習(xí)這一內(nèi)容之前,所教的學(xué)生已經(jīng)掌握了力、質(zhì)量、加速度、慣性等概念;知道質(zhì)量是慣性的量度、力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因;會(huì)分析物體的受力。已具備一定的實(shí)驗(yàn)操作技能,會(huì)用氣墊導(dǎo)軌與光電測(cè)時(shí)系統(tǒng)或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究勻變速直線運(yùn)動(dòng);具備一定的計(jì)算機(jī)操作能力,會(huì)應(yīng)用CAI課件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)物理學(xué)的研究方法已有一定的了解。

      高一的學(xué)生有較強(qiáng)的好奇心和求知欲,樂于探究,敢于堅(jiān)持觀點(diǎn),勇于修正錯(cuò)誤;喜歡和同齡人一起學(xué)習(xí),在自主學(xué)習(xí)、合作探究方面具備一定的能力,能將自己的見解與他人交流,具有團(tuán)隊(duì)精神。

      本節(jié)教學(xué)注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程的親身體驗(yàn),教師的任務(wù)是制訂目標(biāo),組織教學(xué)活動(dòng),控制教學(xué)活動(dòng)的進(jìn)程,排除障礙,充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。學(xué)法上突出學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題,讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、開展合作探究,引導(dǎo)分析總結(jié)等以學(xué)生為主體的活動(dòng),關(guān)注學(xué)生在課堂中的個(gè)體差異,不斷引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

      本節(jié)內(nèi)容分兩個(gè)課時(shí)進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生先學(xué)習(xí)教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路,明確實(shí)驗(yàn)的原理和基本方向,再自行設(shè)計(jì)并展開自助式實(shí)驗(yàn),為學(xué)生創(chuàng)造環(huán)境,充分發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力。

      第一課時(shí),首先提出要研究的問題,鼓勵(lì)學(xué)生猜想并初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,與教材進(jìn)行對(duì)比,理解教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路,接著按教材的方案展開探究,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析誤差的來源(系統(tǒng)誤差和偶然誤差)并得出結(jié)論。在這一過程中引導(dǎo)學(xué)生討論并發(fā)現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)方案存在的不足,思考解決辦法或重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

      學(xué)生經(jīng)歷“提出問題—猜想假設(shè)—設(shè)計(jì)方案—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的科學(xué)探究過程,了解科學(xué)研究的基本環(huán)節(jié);在邊實(shí)驗(yàn)、邊討論中學(xué)生對(duì)探究實(shí)驗(yàn)方案的可操作性、合理性和嚴(yán)謹(jǐn)性深入思考、提出質(zhì)疑并研究改進(jìn)或創(chuàng)新的辦法,使學(xué)生的思維得到訓(xùn)練。

      第二課時(shí),采用自助式實(shí)驗(yàn),先將學(xué)生分成6人一小組,各學(xué)生在組內(nèi)展示自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思路及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方法,經(jīng)小組討論選定一種實(shí)驗(yàn)方案,教師提供實(shí)驗(yàn)所需儀器、裝置,分小組展開實(shí)驗(yàn)。

      具體教學(xué)過程如下:

      第一課時(shí)

      【引入新課】

      教師提供實(shí)驗(yàn)器材(小車、彈簧秤等),學(xué)生通過動(dòng)手操作,討論分析物體的加速度與質(zhì)量、外力之間的定性關(guān)系,教師提出本節(jié)任務(wù):探索三者之間的定量關(guān)系。

      【學(xué)生討論教材的實(shí)驗(yàn)方案】

      學(xué)生初步設(shè)想實(shí)驗(yàn)的方案,討論教材的實(shí)驗(yàn)步驟,圍繞教師提出的問題理解實(shí)驗(yàn)原理和方法。

      教師提出的問題:M是哪個(gè)物體的質(zhì)量?

      F指的是什么力?

      為什么要平衡摩擦力?

      如何平衡摩擦力?

      a是哪個(gè)物體的加速度?

      方向如何?

      兩物體的加速度有何關(guān)系?

      如何分別研究a與F、a與M的關(guān)系,并猜想它們之間的關(guān)系?

      對(duì)以上問題的解答,能使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象,并知道利用控制變量法來研究。為學(xué)生自主改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指明大致方向。

      【學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究】

      學(xué)生按教材的實(shí)驗(yàn)裝置-開展實(shí)驗(yàn)探究-分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(列表法、圖像法),并得出結(jié)論。

      預(yù)測(cè):這一階段學(xué)生對(duì)于小車所受的拉力等于鉤碼重量基本不會(huì)提出質(zhì)疑,對(duì)平衡摩擦力的實(shí)際操作困難估計(jì)不足。

      學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中討論出現(xiàn)的問題、提出改進(jìn)的方法。

      1. 平衡阻力

      預(yù)測(cè):小車在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),各處所受的阻力不均勻,小車的運(yùn)動(dòng)也不均勻,因此不易由此判斷小車受到阻力的影響已被消除。

      2. 保持小車質(zhì)量不變,改變鉤碼質(zhì)量,探究加速度與力的關(guān)系

      預(yù)測(cè):學(xué)生選擇鉤碼和小車時(shí),沒有使鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。

      3. 學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、討論數(shù)據(jù)的分析方法

      學(xué)生已掌握運(yùn)用逐差法求加速度,也學(xué)過v-t圖像的斜率表示加速度,知道可用圖像法表示兩物理量之間的關(guān)系從而想到分別畫出a-F圖像和a-M圖像,其中a-M圖像無法直接反映加速度與質(zhì)量的關(guān)系,可先讓學(xué)生猜想、討論,而后利用Excel軟件進(jìn)行曲線擬合與圖線轉(zhuǎn)換,分析得到a與M成反比關(guān)系。學(xué)生將圖像反映的關(guān)系用數(shù)學(xué)公式表達(dá)出來,形成物理規(guī)律。

      預(yù)測(cè):可能出現(xiàn)的問題

      Ⅰ:未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足,則圖線在a軸上有截距。

      Ⅱ:橫坐標(biāo)F=mg,則{an},圖像斜率a3+a4=18,在a3a4=72時(shí),m變化,斜率k也近似不變,若不滿足a7,斜率k隨m的增大而明顯減小,圖線出現(xiàn)彎曲。

      Ⅲ:畫出a與M關(guān)系的圖線,將得到圖Ⅲ所示的圖線,無法直接分析它們之間的關(guān)系,需要引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系數(shù)學(xué)所學(xué)的函數(shù)圖像,猜想a與M的關(guān)系是否成反比,并畫出a-1/M圖像進(jìn)行驗(yàn)證。

      Ⅳ:畫出a-1/M圖像,a5/a3=q2,即a7=24,斜率a7=3,a7=a52/a3時(shí),M的變化幾乎不改變k,若不滿足a3=6,則M越小a越大,k隨M的減小而增大。

      教師展示典型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果,全體學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)誤差的產(chǎn)生原因,引發(fā)學(xué)生討論課本實(shí)驗(yàn)方案的不足及改進(jìn)方法。在這基礎(chǔ)上教師鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選擇儀器,盡量減小誤差。

      【布置作業(yè)】

      設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告

      第二課時(shí)

      【學(xué)生分組討論】

      學(xué)生6人為一小組,在組內(nèi)展示自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)思路及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方法,小組討論其可操作性、合理性和嚴(yán)謹(jǐn)性,提出修改意見,最后每個(gè)小組選定一種實(shí)驗(yàn)方案。

      預(yù)測(cè)可能的方案:

      1. 在平板上固定一對(duì)光電門,若小車經(jīng)過它們用時(shí)相等,則說明小車勻速運(yùn)動(dòng),可以迅速判斷出已平衡摩擦力,另外,由兩光電門的距離、小車通過它們所用的時(shí)間、遮光條的寬度,就能計(jì)算出小車的加速度,這種方案與教材中的相比,能節(jié)約時(shí)間,提高效率。

      2. 采用等效法測(cè)力。調(diào)節(jié)墊塊高度,使小車能沿斜面勻速下滑,這時(shí)有a7=12,將砂桶撤去,小車因受重力而沿斜面勻加速下滑,此時(shí)有a5,與上式比較可得±62,說明砂桶的重力恰好等于小車自由下滑時(shí)使小車產(chǎn)生加速度a的實(shí)際作用力F。這樣稱出m就“稱出”了F的大小。

      3. 在方案1的基礎(chǔ)上用氣墊導(dǎo)軌裝置替換滑板小車,氣墊導(dǎo)軌不需要平衡摩擦力,只需調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平,其余做法與方案1一致。

      4. 在方案3的基礎(chǔ)上,利用拉力傳感器測(cè)出滑塊所受的拉力,這樣減小了由于砂桶質(zhì)量m無法遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M而造成的誤差,但滑輪的阻力會(huì)導(dǎo)致新的測(cè)量誤差。

      5. 在方案3的基礎(chǔ)上,將研究對(duì)象改為砂桶和滑塊組成的系統(tǒng),小桶中裝橡皮泥,在研究a與F的關(guān)系時(shí),只需將小桶中的橡皮泥逐步減少,減少部分粘到滑塊上,這樣就能保持系統(tǒng)的總質(zhì)量不變,只改變合外力F。研究a與M的關(guān)系時(shí),不改變小桶中橡皮泥的質(zhì)量,只增加或減少滑塊上的橡皮泥,測(cè)出每次對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總質(zhì)量即可。

      這種方案除了具備方案3的優(yōu)點(diǎn)外,還能避免由于砂桶質(zhì)量m無法遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M而產(chǎn)生的誤差。

      以上是學(xué)生可能設(shè)計(jì)的部分較典型的實(shí)驗(yàn)方案,都給予積極的評(píng)價(jià),尊重學(xué)生的勞動(dòng),鼓勵(lì)他們按照自己的想法展開實(shí)驗(yàn)。

      【學(xué)生自助實(shí)驗(yàn)】

      學(xué)生根據(jù)小組選定的實(shí)驗(yàn)方案,自主選用所需的實(shí)驗(yàn)儀器、裝置,分小組展開實(shí)驗(yàn),教師巡視、協(xié)助并指導(dǎo)。

      【學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)成果】

      學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),小組討論分析數(shù)據(jù)。選取兩個(gè)小組展示本組的探究方法和探究成果,可以利用軟件(教師提供)協(xié)助分析,得出結(jié)論:62或F=kMa.

      說明:在國(guó)際單位制中,定義1 N=1 kg·m/s2就可以得出牛頓第二定律F=Ma。然后進(jìn)行合理的外推,當(dāng)物體受幾個(gè)力作用而做加速運(yùn)動(dòng)時(shí),F(xiàn)應(yīng)為合力。

      學(xué)生在這一過程中學(xué)習(xí)用圖像和數(shù)學(xué)公式表示物理規(guī)律的方法,體會(huì)物理規(guī)律的簡(jiǎn)潔美。

      總結(jié):

      第一,本節(jié)課分為兩個(gè)課時(shí),給學(xué)生充分的時(shí)間進(jìn)行思考和討論,改演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),在問題不斷呈現(xiàn)和解決中培養(yǎng)學(xué)生的思維。第二,采用自助式實(shí)驗(yàn),充分尊重學(xué)生,能最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。第三,教學(xué)具有生成性,學(xué)生的表現(xiàn)無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè),需要在課堂上靈活應(yīng)變。

      參考文獻(xiàn):

      [1]鄒建平.問題導(dǎo)學(xué)主動(dòng)探究——“牛頓第二定律的應(yīng)用——彈簧情境問題分析”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)(江蘇教師),2011,(12):32-33.

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