胡愛和

(張家港市崇真中學(xué) 江蘇 蘇州 215631)

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探究加速度與力質(zhì)量關(guān)系分組實驗的改良

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)實驗，以往學(xué)生采用分組實驗耗時過長，教學(xué)中教師寧愿用動畫、視頻代替實驗，談“畫”說理.本文從該實驗的操作、數(shù)據(jù)處理等方面進行了研究，探索了它的改良方法.

物理實驗 改進 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.物理教師從沒有間斷過對該實驗創(chuàng)新:或通過改進測量手段，如借助動滑輪裝置(也可以用DIS系統(tǒng))比較精確地測量合力——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,也或是實驗操作更復(fù)雜等因素，上述研究對分組實驗教學(xué)并無太大的裨益.2015年教師網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)中，筆者對該內(nèi)容的分組實驗教學(xué)設(shè)置了專題探討，結(jié)果顯示：參與的大部分教師認(rèn)為花兩課時勉強完成一次實驗，實在有些“奢侈”(高一物理周課時3節(jié))；部分教師用動畫、視頻代替實驗，談“畫”說理，既節(jié)約了時間，且在考試中的效果也很不錯.

要在一課時內(nèi)基本完成探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的分組實驗探究，在不降低實驗標(biāo)準(zhǔn)的前提下，必須對占據(jù)時間較多的環(huán)節(jié)進行改良，筆者對其中的實驗操作、數(shù)據(jù)處理等做了一些摸索，取得了一定進展.

1 巧用小鋼夾 優(yōu)化實驗操作

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，打點過程中使紙帶不會從小車上脫落.打點前，紙帶無需從紙帶卷中撕斷；每次打點完畢后，拉動小鋼夾，將打到點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驗紙帶.與傳統(tǒng)的操作相比，這種操作有兩個優(yōu)點：一個是可以節(jié)約較多的實驗操作時間，整個過程紙帶一直穿在打點計時器限位孔和小車后面的狹縫中，換紙帶只需拉動小鋼夾，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間，特別是動手能力不強的學(xué)生，省時的效果更加明顯.筆者在兩個平行班級的實驗教學(xué)中，分別采用了傳統(tǒng)實驗操作和改進后的操作，均完成9次打點實驗，每班任意挑選了7組，讓學(xué)生用停表計時，前者平均耗時9 min 35 s，后者平均用時5 min 31 s，改進后省時效果明顯.二是節(jié)約紙帶，傳統(tǒng)的操作中，是先撕好紙帶再做打點實驗，為了避免小車還沒有到達終端紙帶已經(jīng)打完，撕紙帶時總是要留出一定的富余；而改進后，是先打點后撕斷，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，對實驗操作改進后，當(dāng)研究加速度與質(zhì)量關(guān)系時，實驗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動教學(xué)時就培養(yǎng)學(xué)生用這種固定紙帶的操作方法，這樣在本實驗中才不顯得突兀.

2 簡化逐差法 巧算加速度

用打點計時器等裝置測量物體運動的加速度，為提高實驗數(shù)據(jù)的利用率，減小隨機誤差的影響， 高中階段通常是運用逐差法計算加速度.一般處理過程是：在紙帶上選取點跡清晰的偶數(shù)段長度，設(shè)每段的時間均為t，如圖2所示.

圖2

取平均值得

這樣的計算由于每處理一張紙帶要測量多個長度，計算多個中間結(jié)果，且每位學(xué)生至少要完成4～5張紙帶的計算過程，必然消耗大量寶貴的課堂教學(xué)時間；這也是本實驗不能在一課時內(nèi)完成的主要因素.事實上，這種計算加速度的逐差法能夠進一步簡化，將a1，a2，a3的表達式代入平均值表達式，可得

(1)

從表達式(1)看出，本實驗用逐差法計算加速度——相當(dāng)于在紙帶上選取了相鄰相等的兩段3t時間，即將圖2中OC段(x1+x2+x3)作為第一段長度，CF段(x4+x5+x6)作為第二段長度，可以這樣理解：逐差法為了減少實驗誤差，本質(zhì)上就是在紙帶上選取較長時間且長度較長的相鄰兩段.這為我們在減小誤差的前提下直接“讀出”加速度提供了理論依據(jù).

在紙帶上測量小車發(fā)生的位移，從點跡清晰且間距較大的O點開始，每5個點取一個計數(shù)點(時間比較長)，如圖3所示,選取相鄰的OA和AB兩段，時間間隔t=0.1 s.學(xué)生一般使用毫米刻度尺測量紙帶長度，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

請注意上式中x2-x1已是加速度的量綱.從表達過程和結(jié)果看出，若相鄰兩段紙帶的時間間隔都為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.用這種簡單的算法在測量長度后幾乎可以直接“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：一是只需要測量兩段長度，而傳統(tǒng)的逐差法至少是4段，節(jié)省了測量時間；二是減少了中間計算步驟，傳統(tǒng)的逐差法至少要計算兩次加速度(只測量4段長度)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；三是簡化了數(shù)據(jù)運算,傳統(tǒng)逐差法，每次代入數(shù)據(jù)計算加速度的過程非常繁瑣，且容易出錯，而改良法中加速度的值只是兩個長度的差值，不僅運算簡單，還能保證計算的正確率.

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)實驗，以往采用分組實驗教學(xué)模式耗時太長，不少教師由于課時緊張，往往用多媒體演示取代實驗，使得很多學(xué)生缺少了動手操作的體驗，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，實驗研究一方面固然要朝著使結(jié)果精確、器材先進等方向改良；另一方面實驗研究更要接地氣，要著眼于優(yōu)化實驗操作，簡化數(shù)據(jù)處理，提高實驗教學(xué)的效益.只有解決了分組實驗耗時過長的問題，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“實驗味”.

2015-09-21)