韓敘虹

一.說(shuō)課設(shè)計(jì)

1 教學(xué)目標(biāo)

(1)知識(shí)與技能

?理解物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢,即加速度大小與力有關(guān),也與質(zhì)量有關(guān)。

?通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究加速度與力的定量關(guān)系。

?培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力。

(2)過(guò)程與方法

?指導(dǎo)學(xué)生定量地探究加速度和力、物體質(zhì)量的關(guān)系。知道用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

?學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),以及根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

?對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(3)情感、態(tài)度與價(jià)值觀

?通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。

?通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神。

?培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

2 設(shè)計(jì)思想

牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律,是學(xué)習(xí)其他動(dòng)力學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ),是本章的重點(diǎn)內(nèi)容,它揭示了物體的加速度跟力和質(zhì)量間的定量關(guān)系,是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的重要規(guī)律,在理論研究與實(shí)際問(wèn)題中都有廣泛的運(yùn)用。筆者在設(shè)計(jì)中注重物理思想和物理方法的滲透,如:控制變量法、研究物理問(wèn)題的一般方法等;注重培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)品質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)。

課一開(kāi)始,教師就創(chuàng)設(shè)了生動(dòng)的情境,通過(guò)一段生活視頻(關(guān)于汽車(chē)起步的現(xiàn)場(chǎng)采訪)導(dǎo)入,引發(fā)關(guān)于加速度與什么因素有關(guān)的思考,結(jié)合生活實(shí)際,做定性研究;再繼而猜想三者的定量關(guān)系,由學(xué)生自行設(shè)計(jì)測(cè)量加速度a的實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行探究,選取多種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析,直至通過(guò)對(duì)結(jié)論的歸納得出定律;課末以詩(shī)歌作結(jié),融入了濃濃的人文氣息。

整個(gè)過(guò)程重視規(guī)律的形成過(guò)程,體現(xiàn)了物理探究學(xué)習(xí)的一般規(guī)律:提出問(wèn)題——猜想——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案——實(shí)驗(yàn)探究——結(jié)論——推廣、應(yīng)用,讓學(xué)生經(jīng)歷并感受發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過(guò)程,體驗(yàn)科學(xué)探究的艱辛和樂(lè)趣,從中體會(huì)科學(xué)的來(lái)之不易。在具體課堂教學(xué)實(shí)施操作中,主要體現(xiàn)以下特色:

(1)考慮到教學(xué)進(jìn)度和落實(shí)知識(shí)點(diǎn)的要求,在設(shè)計(jì)和編排上更注重對(duì)重、難點(diǎn)的突出。經(jīng)過(guò)多方權(quán)衡,最后把實(shí)驗(yàn)方案的探究點(diǎn)落在設(shè)計(jì)測(cè)量加速度這一環(huán)節(jié)上,使問(wèn)題指向更明確,又有一定的難度,很好地提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力;拍攝的實(shí)驗(yàn)錄像,節(jié)約了探究時(shí)間;探究過(guò)程沒(méi)有在次要問(wèn)題上糾纏太多,如:拉力與小桶和砝碼總重力相等;桶的總質(zhì)量要遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量;是否要平衡摩擦力等。通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)的方式,對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探討,再由小組代表上臺(tái)發(fā)言,學(xué)生間分享、交流成果,很好地培養(yǎng)了學(xué)生交流合作的能力和口頭表達(dá)能力。

(2)在選取合適的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行演示的教學(xué)上,由于教師課前做了大量的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備,事先對(duì)各種可能的方案及結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室都曾一一演示、檢驗(yàn)過(guò),做了大量的對(duì)比研究和實(shí)驗(yàn)誤差分析及積極的對(duì)策改良等,減少了盲目性,取得了令人滿意的結(jié)果。在教學(xué)中,采取多種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究,現(xiàn)場(chǎng)的演示實(shí)驗(yàn)(光電門(mén)實(shí)驗(yàn))與拍攝的錄像實(shí)驗(yàn)(位移傳感器實(shí)驗(yàn))相結(jié)合,現(xiàn)代的傳感器技術(shù)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,讓學(xué)生意識(shí)到實(shí)驗(yàn)是解決問(wèn)題的重要手段或途徑,同時(shí)也認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)方法是多種多樣的,關(guān)鍵是如何根據(jù)實(shí)際情況,選擇誤差盡可能小的方法或途徑來(lái)分析、解決問(wèn)題。

(3)運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)輔助教學(xué)也是本教學(xué)設(shè)計(jì)的一大特色。運(yùn)用傳感器技術(shù)當(dāng)場(chǎng)演示光電門(mén)實(shí)驗(yàn),大大地節(jié)省了時(shí)間,提高了實(shí)驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)的輸入和處理方面,課前運(yùn)用Excel軟件,自行編制程序。課堂上,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)場(chǎng)錄入到計(jì)算機(jī)里,用編制的“宏”解決了加速度a的計(jì)算,得到了比較精確的定量關(guān)系。這樣處理,既保留了實(shí)驗(yàn)的原汁原味,突出了實(shí)驗(yàn)在分析、解決問(wèn)題等方面的重要功能,還大大提高了課堂效率,同時(shí)在課堂上,還讓學(xué)生領(lǐng)略了先進(jìn)技術(shù)對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的推動(dòng)作用。

二.教學(xué)設(shè)計(jì)

1 教學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)介

1.1 引入

視頻:關(guān)于汽車(chē)起步的路邊采訪(圍繞啟動(dòng)快慢跟什么因素有關(guān)的一段對(duì)話)。

師:這是我在課前錄制的一段現(xiàn)場(chǎng)采訪,通過(guò)我與貨車(chē)司機(jī)的對(duì)話,你能夠從中悟出什么樣的物理道理?

生小結(jié):汽車(chē)的起步過(guò)程是從靜止開(kāi)始加速,物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化,產(chǎn)生了加速度。起步的快慢反映了加速度的大小,加速度的大小跟什么因素有關(guān)呢?跟作用力有關(guān),對(duì)于相同質(zhì)量的物體來(lái)說(shuō),作用力越大,加速度越大;而且還跟質(zhì)量有關(guān),在相同的作用力下,物體的質(zhì)量越大,加速度反而越小。

1.2 定量探究加速度與作用力、質(zhì)量之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)

問(wèn):加速度、作用力和質(zhì)量之間有怎樣的定性關(guān)系?這就是今天要研究的課題,讓我們循著前人牛頓的足跡,繼續(xù)探索三者之間的定量關(guān)系,來(lái)體會(huì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶給我們的喜悅。

(1)猜想

問(wèn):根據(jù)剛才這段對(duì)話,也可以是你的生活經(jīng)驗(yàn),大膽地猜想一下它們之間的定量關(guān)系?

答:加速度的大小與所受的外力成正比,與物體的質(zhì)量成反比?

問(wèn):果真如此嗎?事實(shí)勝于雄辯,接下來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究。

(2)研究方法

問(wèn):要研究三個(gè)量之間的定量關(guān)系,要采用什么方法?

答:控制變量法。在研究加速度與作用力的關(guān)系時(shí)候,就控制質(zhì)量不變,改變作用力的大小,看加速度如何變化;研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系的時(shí)候,就控制作用力不變,通過(guò)改變質(zhì)量來(lái)看加速度如何變化,從中去尋找規(guī)律。

(3)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、步驟等

為了使研究的問(wèn)題更明確些,選取在水平軌道上的小車(chē)作為研究對(duì)象,在小車(chē)的前端拴一根細(xì)繩,繞過(guò)滑輪,在下面系一個(gè)小桶,小桶里放入適當(dāng)?shù)捻来a,釋放小桶,小車(chē)就受到一個(gè)水平方向的恒定的拉力,拉力的大小就等于帶砝碼的小桶的總的重力。

問(wèn):那么,這三個(gè)物理量,我們應(yīng)該用什么樣的儀器來(lái)測(cè)定呢?

答:小車(chē)的質(zhì)量可以用天平,改變小車(chē)的質(zhì)量,可以通過(guò)加固不同的定片;測(cè)量桶的重力就知道了作用力的大小,改變桶里砝碼的質(zhì)量,就可以改變作用力。

問(wèn):可見(jiàn),三個(gè)量中,能否準(zhǔn)確、有效地測(cè)定物體的加速度是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵,也是實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)!下面采用合作學(xué)習(xí)的方式,請(qǐng)同學(xué)四人成立一個(gè)學(xué)習(xí)小組,來(lái)共同設(shè)計(jì)測(cè)定加速度a的實(shí)驗(yàn)方案,設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:需要提供哪些必要的儀器?如何測(cè)量?運(yùn)用什么樣的數(shù)學(xué)公式來(lái)計(jì)算?小組成員間可以互相討論,交流,也可以拿出紙筆畫(huà)圖,作些記錄,最后推選一位代表上臺(tái)發(fā)言,介紹你們小組的討論成果,展示你們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案或想法,其他成員可以補(bǔ)充說(shuō)明,各小組間也可以相互提問(wèn)讓對(duì)方回答。注意,討論時(shí)要盡可能地把思維發(fā)散開(kāi)來(lái)。

學(xué)生提出的方案:

方案1:秒表測(cè)時(shí)間t,刻度尺測(cè)出靜止的小車(chē)釋放一段時(shí)間后的位移x,根據(jù)位移公式x=12at2,求出加速度。 方案2:利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或頻閃照片,借助刻度尺量取長(zhǎng)度,根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)Δx=aT²,測(cè)加速度。

方案3:用位移傳感器測(cè)定每時(shí)每刻小車(chē)的位置,繪制位移-時(shí)間圖象,其圖像是一條拋物線,代入二次函數(shù)或通過(guò)曲線擬合等等方法,求出加速度。

方案4:用光電門(mén)傳感器,根據(jù)a=(lΔt2)2-(lΔt1)22s。

(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、搜集數(shù)據(jù)

①針對(duì)學(xué)生提出的多種方案,選做光電門(mén)實(shí)驗(yàn)

儀器簡(jiǎn)介:這是帶刻度尺的水平軌道(如圖1),將軌道盡可能地調(diào)到水平,在水平軌道上放置好小車(chē),讓小車(chē)與軌道的摩擦力盡可能地小,并安裝好兩個(gè)光電門(mén)傳感器,分別在25厘米和50厘米刻度處如圖2?？梢?jiàn)兩個(gè)光電門(mén)的距離是25厘米。連接好實(shí)驗(yàn)裝置后,打開(kāi)電腦軟件,屏幕上顯示的就是實(shí)驗(yàn)界面,兩個(gè)小窗口將會(huì)分別顯示車(chē)子通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間,實(shí)驗(yàn)完成后,把數(shù)據(jù)導(dǎo)到表格里,運(yùn)用事先編好的Excel軟件代入公式來(lái)處理,計(jì)算求得加速度值(如圖3)。

操作1 研究質(zhì)量一定時(shí)a與F的關(guān)系

控制小車(chē)質(zhì)量不變,改變桶里砝碼的質(zhì)量來(lái)改變力,稱出空桶的重力是0.055牛;第一次實(shí)驗(yàn)就用空桶的重力提供拉力;第二次實(shí)驗(yàn),在桶里放入5克的砝碼重做;以后的每次實(shí)驗(yàn),都依次加放5克砝碼,分別用不同的重力來(lái)提供小車(chē)?yán)?產(chǎn)生不同的加速度。

提示學(xué)生:為了提高實(shí)驗(yàn)效率,我們是一氣完成五次實(shí)驗(yàn),然后一起導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,所以每次實(shí)驗(yàn)完成后,小車(chē)?yán)貋?lái)時(shí),注意不要從光電門(mén)的位置過(guò)。

分析:從表格上,可以看出加速度隨外力增大而增大,但是否成正比函數(shù)呢?我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,作出a-F圖,畫(huà)出數(shù)據(jù)點(diǎn),發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)幾乎都落在一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜的直線上,說(shuō)明加速度的確跟外力成正比(如圖4)。

操作2 研究力一定時(shí)a與m的關(guān)系

固定拉力不變,通過(guò)改變小車(chē)的質(zhì)量來(lái)改變物體的加速度,從空車(chē)開(kāi)始,每次實(shí)驗(yàn)時(shí),依次增加一片定片,也做五組,填入表格,做出a-m圖線。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)排列在一條曲線上,那是否是反比例曲線呢?做出a-1/m圖線,發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)幾乎都落在一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜的直線上,說(shuō)明加速度a跟質(zhì)量倒數(shù)1/m成正比,即加速度a與質(zhì)量成反比關(guān)系(如圖5、6、7)。

②演示其他實(shí)驗(yàn)方案

A.視頻展示方案3(位移傳感器實(shí)驗(yàn))

用位移傳感器做實(shí)驗(yàn)時(shí),測(cè)定小車(chē)在不同時(shí)刻的位移,做出位移圖像,再用曲線擬合的方法算出每次的加速度a 的大小,錄像拍攝的是研究a與m關(guān)系的實(shí)驗(yàn),由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理好后的結(jié)果,同樣看到這些數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎都分布在這條傾斜的直線上,但這種實(shí)驗(yàn)方法的誤差比較大,這可能跟位移傳感器的精度有關(guān)系,同學(xué)們?cè)谙绿谜n里可以到實(shí)驗(yàn)室親身體驗(yàn)一下。

B.演示位移的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)際上,測(cè)定加速度也可做對(duì)比實(shí)驗(yàn),物理量間進(jìn)行等量替換,就是一種很好的思路,如圖8所示,用夾子把兩輛小車(chē)固定住,然后松開(kāi)夾子,同時(shí)釋放,兩輛小車(chē)同時(shí)從靜止開(kāi)始做勻加速直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)了一段時(shí)間后,再用夾子同時(shí)夾住,就會(huì)發(fā)現(xiàn)加速度大的小車(chē),在相同時(shí)間里位移更大些?由于位移跟加速度成正比,s=12at2輆1a2=s1s2,就可以通過(guò)測(cè)定小車(chē)位移之比,從而了解小車(chē)加速度之比。

這個(gè)想法是很好的,但在具體實(shí)驗(yàn)操作時(shí)結(jié)果并不理想,原因很多,同學(xué)們課后可以分析一下誤差的原因,以下是根據(jù)這種實(shí)驗(yàn)原理改良后的一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

水平軌道上的兩輛小車(chē)的質(zhì)量都是200克,注意右邊的小車(chē)是跟左邊的鉤碼相連的,左邊小車(chē)是跟右邊鉤碼相連的,這是一根標(biāo)尺,把軌道進(jìn)行了五等分,填入了五種顏色,可以顯示小車(chē)的位移的情況。把兩小車(chē)分別放到軌道的兩側(cè),然后同時(shí)釋放,分別觀察處于以下三種情形時(shí),小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況,如圖9所示:

A.同力同質(zhì)量下(都是空車(chē),質(zhì)量都是200克,兩邊掛的鉤碼質(zhì)量都是20克),兩車(chē)會(huì)在哪里相遇?

B.同力不同質(zhì)量(掛的鉤碼質(zhì)量都是20克,甲車(chē)加放重物,質(zhì)量為300克,乙車(chē)仍是空車(chē),質(zhì)量200克),兩車(chē)會(huì)在哪里相遇?

C.同質(zhì)量不同力(都是空車(chē),質(zhì)量都是200克,掛的鉤碼質(zhì)量分別為20克、30克),車(chē)子會(huì)在哪里相遇?碰后又有什么樣的特點(diǎn)?

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn),我們發(fā)現(xiàn):對(duì)質(zhì)量相同的物體來(lái)說(shuō),物體的加速度跟作用在物體上的力成正比,并可表述為:a1a2=F1F2或者a∝F。

在相同力的作用下,物體的加速度跟物體的質(zhì)量成反比?？杀硎緸?a1a2=m2m1或者a∝1m。

課堂上,同學(xué)們提出了很多測(cè)加速度的實(shí)驗(yàn)方案,每種方法或方案都各有優(yōu)缺點(diǎn),請(qǐng)同學(xué)們課后通過(guò)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)研究,歡迎提出改良意見(jiàn)以提高實(shí)驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)讓我們對(duì)自然規(guī)律的探究有所體驗(yàn)。實(shí)際上一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡(jiǎn)單的測(cè)量實(shí)驗(yàn)就能得出,還需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)論證。在牛頓之前,沒(méi)有一個(gè)科學(xué)家定量地研究過(guò)力與加速度量值的關(guān)系和方向,牛頓在進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)研究和大量的理論準(zhǔn)備基礎(chǔ)上提出了三者的定量關(guān)系,發(fā)表在他那本著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)上。這就是著名的牛頓第二定律。它的基本內(nèi)容:物體的加速度a與受到的作用力F成正比,與物體的質(zhì)量m成反比,寫(xiě)作F=kma。其中k為比例常數(shù),當(dāng)所有物理量均取國(guó)際單位時(shí)(即力的單位取N,質(zhì)量單位取kg,加速度單位取m/s2),科學(xué)家是這樣定義一牛頓的:使一千克的物體產(chǎn)生一米每二次方秒的加速度的力就是一牛頓。所以,k=1,此時(shí)關(guān)系式變?yōu)? F=ma,這就是牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

最后,我用英國(guó)詩(shī)人蒲柏的一段詩(shī)來(lái)結(jié)束這堂課,他這樣贊美牛頓:自然和自然規(guī)律,隱藏在黑暗中。上帝說(shuō):讓牛頓出生吧,于是,一切顯現(xiàn)光明。

你看物理定律的表達(dá)式是多么簡(jiǎn)潔呀,它是數(shù)學(xué)與物理和諧、完美的結(jié)合,給了我們一種美的享受,簡(jiǎn)單就是美!有關(guān)定律的理解和應(yīng)用我們將在今后繼續(xù)學(xué)習(xí)。

(欄目編輯鄧 磊)