趙自強

河南省鄭州市第四中學(450000)

探究物體獲得的加速度與合外力、質量的關系是高中物理中非常重要的實驗，也是高考考試說明中要求做的實驗。課程標準對本實驗的要求是：通過實驗測量加速度、力、質量，分別作出表示加速度與力、加速度與質量的關系圖像，根據圖像寫出加速度與力、質量的關系式,體會探究過程中所用的科學方法。本實驗對學生的要求比較高，要求學生經歷定量探究的過程，掌握控制變量法、圖像法以及作圖過程中“化曲為直”等思想，且實驗操作難度大、數據處理誤差大，學生在實驗中的表現往往不如人意。所以，不少教師在教學中對本實驗采取“避讓”策略。主要表現有：①重結論輕過程,沒有認真組織實驗，而是“一筆帶過”，直接告訴學生探究結論;②忽視實驗數據的分析與處理,雖然學生做了實驗，但做完實驗后，沒有認真分析、處理實驗數據，學生缺乏必要的思考，實驗教學效果較差;③輕視做實驗，而過度重視實驗題的訓練，認為“做實驗不如做實驗題”，讓學生做很多實驗題，而實驗探究本身卻沒落到實處，實驗教學成無根之木。以上種種表現嚴重忽視了實驗探究的重要性，與新課程理念不符。學生只有真正參與到實驗中，才有可能有所思、有所悟，才能對實驗原理、操作步驟等內容理解透徹，才會提高相應的能力。

1 問題引路，明晰原理

以物理實驗設計呈現問題，搭建思維起點的臺階，使學生感受到情景中的問題，有疑慮而提出問題，師生以問題鏈為主線來開展教學活動。在實驗之前應該向學生提出問題，以問題為任務驅動，引導學生對實驗進行充分思考，通過思考明晰實驗原理、方法，為設計方案、理解步驟、處理數據、分析誤差等奠定基礎。否則，學生只是在教師、教材要求的步驟之下按部就班地完成實驗操作。缺乏深入思考就進行的實驗，只是見過、使用過實驗器材，進行實驗題訓練時知道題目說的是什么，無法達到經歷探究過程、習得物理方法的教學效果。

1.1 為什么要探究加速度與合外力、質量之間的關系

為何要探究的是加速度與力、質量的之間的關系，而不是加速度與其他物理量之間的關系。通過這一問題，促進學生對所學的牛頓第一定律進行深度思考。一切物體任何時候都具有慣性，質量是慣性大小的量度，質量是“抗拒”改變物體運動狀態(tài)的唯一的“內因”，力是“主動”改變物體運動狀態(tài)的唯一“外因”，而運動狀態(tài)改變(速度的變化)的快慢，用加速度來描述。所以，加速度只與合外力、質量有關。

1.2 探究加速度與合外力、質量之間的關系應采用什么方法

物理中對多變量問題，常采用控制變量法，把多變量問題變成多組單變量問題，只改變其中某一個變量，從而研究這個變量對結果的影響，分別加以研究，最后再綜合得到結論。本問題的思考，旨在促進學生理解控制變量法這一重要物理方法，為后面設計實驗方案、理順操作步驟做出鋪墊。本實驗中，需要分別探究：小車質量不變時，改變合外力，探究加速度與合外力的關系；小車所受合外力不變時，改變小車質量，探究加速度與小車質量的關系。

1.3 應該讓小車做什么樣的運動

為了測量的簡單和操作的方便應該讓小車受到恒定外力的作用，做勻加速直線運動。通過對這一問題的思考，讓學生知道只有當物體做勻變速直線運動時，小車的瞬時加速和平均加速度才相等。

1.4 如何測量、改變小車的質量

小車的質量用天平直接測量。根據控制變量法，在探究小車的加速度與質量的關系時，需要控制小車的合外力不變，通過添加鉤碼的方法改變小車的質量。

1.5 如何確定、測量、改變合外力

要讓小車做勻加速直線運動，對小車受到的合外力有何要求，如何確定、測量、改變合外力是本實驗的關鍵。學生對此比較疑惑，也不清楚在一個勻變速直線運動中該如何給小車提供一個恒定的合外力。在教學中，教師只有通過設置問題，引導學生思考后，給學生講透徹該怎么做、為何要這樣做，學生才會對實驗原理、實驗步驟有深刻的理解和準確的把握。

本實驗中，通過細線跨過滑輪懸掛重物來提供小車做勻加速運動的拉力，測量拉力的大小可以通過拉力傳感器，或者懸掛重物以重物的重力替代拉力。重力替代拉力需要滿足懸掛物體的質量遠遠小于小車的質量，此時小車勻加速的加速度不夠大，拉力才近似等于懸掛物的重力。要改變拉力，只要改變懸掛物體的質量即可。

在本實驗中，小車受到摩擦力、重力、支持力、拉力，如果小車在水平面上運動需要測出其受到的拉力和摩擦力，測量難度較大，為此需要想辦法把摩擦力“消除”，小車受到的合外力就等于拉力。要“消除”摩擦力常采用的方法有：①把軌道一端墊高，讓小車重力沿斜面向下的分力等于摩擦力，即mgsinθ=μmgcosθ，平衡的標準是輕推一下小車，小車做勻速直線運動；②采用氣墊導軌，使得滑塊與軌道之間的正壓力趨于零，摩擦力近似等于零。

1.6 如何測量加速度

2 明確原理，設計方案

通過上述問題引導學生思考，理清實驗原理，明晰了實驗方法，為實驗方案的得出奠定了堅實的基礎。只要學生考慮透徹上述問題，實驗方案的得出就水到渠成，無需教師照本宣科告訴學生實驗原理和實驗方案。讓學生在思考的基礎上得出實驗方案，教學效果更佳。本實驗學生可以得到如下兩個基礎方案：長木板打點計時器方案，如圖1所示；氣墊導軌光電門方案，如圖2所示。

圖1 長木板打點計時器實驗裝置圖

圖2 氣墊導軌光電門實驗裝置圖

方案1中利用打點計時器打出紙帶測量加速度，用小盤和砝碼的重力mg代替細線的拉力。需要滿足小盤和砝碼的質量遠遠小于小車的質量，即m?M。細線要與長木板平行，墊高打點計時器的一端平衡摩擦力。方案2中需要滿足鉤碼的質量遠遠小于滑塊的質量，但無需采用墊高軌道的方法平衡摩擦力。

在設計方案的過程中，教師可以讓學生嘗試和同伴一起討論寫出實驗步驟。學生寫出的實驗步驟肯定不完善，但只要主要的步驟清晰即達到目的。學生寫完之后，再以個別組的實驗步驟為例，師生一起修改、完善。這樣避免了照本宣科，提高了學生的課堂參與程度。

3 反思誤差，升華理解

設計好實驗方案后，讓學生選擇實驗方案進行分組實驗。一般而言，學校配置較多的是長木板打點計時器方案中的器材，而光電門氣墊導軌方案中的器材一般學校都只配備幾套，因器材不夠無法開展分組實驗。教學中可以讓學生按照長木板打點計時器方案分組實驗，同時給學生提供幾套光電門氣墊導軌方案的器材，學生完成方案1的實驗后，可自主選擇采用方案2完成實驗。

反思與評價是科學探究的重要環(huán)節(jié)，更是學生對自己探究結論可靠性的分析與評價過程。所以，實驗之后的反思是必不可少的。鑒于本實驗數據

4 拓展延伸，改進實驗

為了拓寬學生視野，拓展學生知識面，實驗完成后需要在重視學情，尊重教材的基礎上，從實驗器材、實驗方案、操作步驟、數據處理等方面對實驗進行拓展延伸，對實驗進行改進和創(chuàng)新。以本實驗為例，可以對拉力大小的測定進行適度拓展。上述兩個實驗方案中，都是用所懸掛重物的重力來代替細線的拉力，都想辦法“消除”了摩擦力，使懸掛重物的重力就是研究對象(小車或滑塊)的合外力。這兩個方案中都要求懸掛重物的質量遠遠小于研究對象的(小車或滑塊)質量?？上驅W生提出問題：能否不需要滿足條件m?M也能完成實驗。對此可以引導學生得出如下兩個方案，彈簧測力計方案和力的傳感器方案，分別如圖3、圖4所示。然后，讓學生進一步改進兩個實驗方案。還可以在器材上有所創(chuàng)新，用傳感器與計算機相連接，可直接得出小車的加速度，數據處理更快、更準。

圖3 彈簧測力計實驗裝置圖

圖4 力的傳感器實驗裝置圖