白凡
摘 要:牛頓第二定律是動力學的核心規(guī)律, 學生通過實驗探究加速度、質(zhì)量、力三者的關系,滿足了學生的好奇心和求知欲,學生先學習教材中的實驗設計思路,明確實驗的原理和基本方向,再自行設計并展開自助式實驗,為學生創(chuàng)造環(huán)境,學生在實驗中學會像科學家那樣思維,自己構(gòu)想實驗方法,從物理現(xiàn)象的觀察和物理實驗的研究分析中歸納出結(jié)論,使學生的思維得到訓練。
關鍵詞:自主設計;創(chuàng)新;合作探究
在《普通高中物理課程標準》共同必修模塊“物理1”中涉及本節(jié)的內(nèi)容有:“通過實驗,探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關系,理解牛頓第二定律?!?即要求學生通過實驗,探究加速度、質(zhì)量、力三者的關系,強調(diào)讓學生經(jīng)歷實驗探究過程。
牛頓第二定律是動力學的核心規(guī)律,動力學又是經(jīng)典力學的基礎,也是進一步學習熱學、電學等其他部分知識所必須掌握的內(nèi)容,所以牛頓第二定律是本章的中心內(nèi)容,更是本章的教學重點。同時也是必修一整本書的制高點。
在學習這一內(nèi)容之前,所教的學生已經(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、力是改變物體運動狀態(tài)的原因;會分析物體的受力。已具備一定的實驗操作技能,會用氣墊導軌與光電測時系統(tǒng)或打點計時器研究勻變速直線運動;具備一定的計算機操作能力,會應用CAI課件處理實驗數(shù)據(jù)。對物理學的研究方法已有一定的了解。
高一的學生有較強的好奇心和求知欲,樂于探究,敢于堅持觀點,勇于修正錯誤;喜歡和同齡人一起學習,在自主學習、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,具有團隊精神。
本節(jié)教學注重學生學習過程的親身體驗,教師的任務是制訂目標,組織教學活動,控制教學活動的進程,排除障礙,充分發(fā)揮學生的主體作用。學法上突出學生自主發(fā)現(xiàn)問題,讓學生參與實驗的設計、開展合作探究,引導分析總結(jié)等以學生為主體的活動,關注學生在課堂中的個體差異,不斷引導學生學習。
本節(jié)內(nèi)容分兩個課時進行教學。學生先學習教材中的實驗設計思路,明確實驗的原理和基本方向,再自行設計并展開自助式實驗,為學生創(chuàng)造環(huán)境,充分發(fā)揮他們的主觀能動性和創(chuàng)造力。
第一課時,首先提出要研究的問題,鼓勵學生猜想并初步設計實驗方案,與教材進行對比,理解教材中的實驗設計思路,接著按教材的方案展開探究,分析實驗數(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。在這一過程中引導學生討論并發(fā)現(xiàn)這種實驗方案存在的不足,思考解決辦法或重新設計實驗方案。
學生經(jīng)歷“提出問題—猜想假設—設計方案—實驗驗證”的科學探究過程,了解科學研究的基本環(huán)節(jié);在邊實驗、邊討論中學生對探究實驗方案的可操作性、合理性和嚴謹性深入思考、提出質(zhì)疑并研究改進或創(chuàng)新的辦法,使學生的思維得到訓練。
第二課時,采用自助式實驗,先將學生分成6人一小組,各學生在組內(nèi)展示自己設計的實驗思路及實驗數(shù)據(jù)的分析方法,經(jīng)小組討論選定一種實驗方案,教師提供實驗所需儀器、裝置,分小組展開實驗。
具體教學過程如下:
第一課時
【引入新課】
教師提供實驗器材(小車、彈簧秤等),學生通過動手操作,討論分析物體的加速度與質(zhì)量、外力之間的定性關系,教師提出本節(jié)任務:探索三者之間的定量關系。
【學生討論教材的實驗方案】
學生初步設想實驗的方案,討論教材的實驗步驟,圍繞教師提出的問題理解實驗原理和方法。
教師提出的問題:M是哪個物體的質(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是哪個物體的加速度?
方向如何?
兩物體的加速度有何關系?
如何分別研究a與F、a與M的關系,并猜想它們之間的關系?
對以上問題的解答,能使學生明確實驗的研究對象,并知道利用控制變量法來研究。為學生自主改進實驗、設計實驗指明大致方向。
【學生進行實驗探究】
學生按教材的實驗裝置-開展實驗探究-分析實驗數(shù)據(jù)(列表法、圖像法),并得出結(jié)論。
預測:這一階段學生對于小車所受的拉力等于鉤碼重量基本不會提出質(zhì)疑,對平衡摩擦力的實際操作困難估計不足。
學生在實驗中討論出現(xiàn)的問題、提出改進的方法。
1. 平衡阻力
預測:小車在軌道上運動時,各處所受的阻力不均勻,小車的運動也不均勻,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系
預測:學生選擇鉤碼和小車時,沒有使鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量。
3. 學生記錄實驗數(shù)據(jù)、討論數(shù)據(jù)的分析方法
學生已掌握運用逐差法求加速度,也學過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)量的關系,可先讓學生猜想、討論,而后利用Excel軟件進行曲線擬合與圖線轉(zhuǎn)換,分析得到a與M成反比關系。學生將圖像反映的關系用數(shù)學公式表達出來,形成物理規(guī)律。
預測: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F=mg,則{an},圖像斜率a3+a4=18,在a3a4=72時,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系,需要引導學生聯(lián)系數(shù)學所學的函數(shù)圖像,猜想a與M的關系是否成反比,并畫出a-1/M圖像進行驗證。
Ⅳ:畫出a-1/M圖像,a5/a3=q2,即a7=24,斜率a7=3,a7=a52/a3時,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。
教師展示典型的實驗數(shù)據(jù)及分析結(jié)果,全體學生討論實驗誤差的產(chǎn)生原因,引發(fā)學生討論課本實驗方案的不足及改進方法。在這基礎上教師鼓勵學生自己設計實驗方案、選擇儀器,盡量減小誤差。
【布置作業(yè)】
設計實驗方案,寫一份實驗報告
第二課時
【學生分組討論】
學生6人為一小組,在組內(nèi)展示自己設計的實驗思路及實驗數(shù)據(jù)的分析方法,小組討論其可操作性、合理性和嚴謹性,提出修改意見,最后每個小組選定一種實驗方案。
預測可能的方案:
1. 在平板上固定一對光電門,若小車經(jīng)過它們用時相等,則說明小車勻速運動,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間、遮光條的寬度,就能計算出小車的加速度,這種方案與教材中的相比,能節(jié)約時間,提高效率。
2. 采用等效法測力。調(diào)節(jié)墊塊高度,使小車能沿斜面勻速下滑,這時有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使小車產(chǎn)生加速度a的實際作用力F。這樣稱出m就“稱出”了F的大小。
3. 在方案1的基礎上用氣墊導軌裝置替換滑板小車,氣墊導軌不需要平衡摩擦力,只需調(diào)節(jié)導軌水平,其余做法與方案1一致。
4. 在方案3的基礎上,利用拉力傳感器測出滑塊所受的拉力,這樣減小了由于砂桶質(zhì)量m無法遠小于滑塊質(zhì)量M而造成的誤差,但滑輪的阻力會導致新的測量誤差。
5. 在方案3的基礎上,將研究對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的關系時,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的關系時,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,測出每次對應的系統(tǒng)總質(zhì)量即可。
這種方案除了具備方案3的優(yōu)點外,還能避免由于砂桶質(zhì)量m無法遠小于滑塊質(zhì)量M而產(chǎn)生的誤差。
以上是學生可能設計的部分較典型的實驗方案,都給予積極的評價,尊重學生的勞動,鼓勵他們按照自己的想法展開實驗。
【學生自助實驗】
學生根據(jù)小組選定的實驗方案,自主選用所需的實驗儀器、裝置,分小組展開實驗,教師巡視、協(xié)助并指導。
【學生展示實驗成果】
學生通過實驗,得到實驗數(shù)據(jù),小組討論分析數(shù)據(jù)。選取兩個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。然后進行合理的外推,當物體受幾個力作用而做加速運動時,F(xiàn)應為合力。
學生在這一過程中學習用圖像和數(shù)學公式表示物理規(guī)律的方法,體會物理規(guī)律的簡潔美。
總結(jié):
第一,本節(jié)課分為兩個課時,給學生充分的時間進行思考和討論,改演示實驗為學生分組探究實驗,讓學生參與實驗的設計,在問題不斷呈現(xiàn)和解決中培養(yǎng)學生的思維。第二,采用自助式實驗,充分尊重學生,能最大限度地調(diào)動學生積極性。第三,教學具有生成性,學生的表現(xiàn)無法準確預測,需要在課堂上靈活應變。
參考文獻:
[1]鄒建平.問題導學主動探究——“牛頓第二定律的應用——彈簧情境問題分析”教學設計[J].中學課程輔導(江蘇教師),2011,(12):32-33.