摘要：傳感器在某些物理實(shí)驗(yàn)中有著不可替代的作用，因?yàn)槟承?shí)驗(yàn)中的物理問題用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是無法解決的.以《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》為案例進(jìn)行說明.

關(guān)鍵詞：傳感器；物理教學(xué)；實(shí)驗(yàn)探究

基金項(xiàng)目：北京物理學(xué)會(huì)2018—2019年度教育科研立項(xiàng)課題“核心素養(yǎng)視角下培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)思維的課堂教學(xué)研究”（項(xiàng)目編號：WLXH1826）.

作者簡介：張曉（1970-），男，內(nèi)蒙人，本科，中學(xué)高級教師，兼職教研員，研究方向：中學(xué)物理教法.

傳感器在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，用它來測量一些物理量準(zhǔn)確、快捷，并且有著即時(shí)自動(dòng)畫出圖象、實(shí)時(shí)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的優(yōu)點(diǎn).傳感器甚至在某些物理實(shí)驗(yàn)中有著不可替代的作用，因?yàn)槟承?shí)驗(yàn)中的物理問題用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是無法解決的.筆者在處理《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》這節(jié)課時(shí)，雖然只是在解決一個(gè)很小的局部問題時(shí)用到了傳感器，但是這個(gè)問題長期以來困擾著許多物理教師，用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法很不好解決，筆者用傳感器來說明這一問題，學(xué)生對這個(gè)問題就有了真實(shí)、深刻的認(rèn)識，非常符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.課后，聽課的教師們對這節(jié)課的評價(jià)是：傳感器的使用恰到好處，不僅解決了長期困擾教師在本節(jié)課中教學(xué)難點(diǎn)的處理問題，而且很好地體現(xiàn)了新課標(biāo)所倡導(dǎo)的理念.

1對教材和學(xué)情的分析

修訂后的人教社必修（1）教材把牛頓第二定律安排在《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》之后，這不同于以往的老教材，主要是想通過對牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的探究過程來培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新精神.本節(jié)課就是要體現(xiàn)新教材的這種思路，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的能力，不斷解決在探究過程中遇到的困難，從而通過自己的努力得出牛頓第二定律.這不僅培養(yǎng)了學(xué)生多方面的能力，且完全符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.長此以往，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣不僅會(huì)越來越濃厚，而且科學(xué)意識和探究能力也會(huì)變得越來越強(qiáng).

由于這節(jié)課要求學(xué)生能夠先通過自己已有的知識來制定實(shí)驗(yàn)探究方案，就必須考慮以下幾個(gè)問題：（1）探究三個(gè)量關(guān)系的可行性和必要性；（2）探究三個(gè)量的關(guān)系的基本方法；（3）如何測出m、F、a的大小；（4）根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件選擇出合適的實(shí)驗(yàn)方案.實(shí)際上，對于目前的高一學(xué)生來講，要解決以上四個(gè)問題確實(shí)不是易事，要想在短短的一節(jié)課里既把實(shí)驗(yàn)方案制定出來，測量并得出定律是不太可能的.若這樣做的話，雖然感覺上課堂效率很高，是一堂完整的課，但是學(xué)生就不能在探究過程中得到一些重要的研究物理問題的方法，創(chuàng)新能力和解決新問題的能力也不會(huì)增強(qiáng).又由于我校的學(xué)生基礎(chǔ)和能力不是很強(qiáng)，筆者把此次探究活動(dòng)分為兩課時(shí)，使學(xué)生在探究的各個(gè)環(huán)節(jié)能充分思考、交流和討論，盡量解決探究過程中的困惑.這樣不僅能夠體現(xiàn)本節(jié)課中所蘊(yùn)含的豐富的物理思想，而且能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)思維習(xí)慣和技能.

2以往教學(xué)在此處的困惑

在處理“鉤碼的重力等于牽引小車的力嗎？”這個(gè)問題時(shí)，以往教師在處理這一問題時(shí)往往是先告訴學(xué)生“鉤碼的重力不等于牽引小車的力，鉤碼的重力越小則牽引小車的力越接近鉤碼的重力”這個(gè)結(jié)論，而學(xué)生對這個(gè)結(jié)論不甚理解，教師也不能很好地解釋，又不好用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)際上，教師這樣做也是不得已的辦法，因?yàn)樵趯W(xué)生還不知道牛頓第二定律的情況下，教師很難給學(xué)生解釋清楚.然而學(xué)生若不知這個(gè)結(jié)論，就很有可能在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中不注意“鉤碼的重力越小牽引小車的力越接近鉤碼的重力”這個(gè)條件而得不出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.新課標(biāo)要求我們在教學(xué)中應(yīng)特別體現(xiàn)方法和過程，重視探究過程的科學(xué)思想和方法的科學(xué)性.而且新的教材是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究得出牛頓第二定律，在實(shí)驗(yàn)探究過程中，應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和實(shí)驗(yàn)技能，尤其是如何解決在探索物理問題的過程中出現(xiàn)的困難.基于以上的考慮，我們感覺到：學(xué)生在這個(gè)問題上存在著知識上的缺陷，不能用還沒有得出的規(guī)律來解決現(xiàn)有的問題，而直接告訴學(xué)生這個(gè)結(jié)論又不太好，不符合新課程的理念，但又不能避開這個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題.實(shí)際上應(yīng)用傳感器就能夠很好地處理這個(gè)問題.

3傳感器在本節(jié)課的第一課時(shí)中的具體應(yīng)用

（1）學(xué)生對“鉤碼的重力等于牽引小車的力嗎？”這一問題的初步認(rèn)識.根據(jù)二力平衡的知識學(xué)生可以確定，當(dāng)鉤碼和小車一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，細(xì)繩的拉力不等于鉤碼的重力.但是用鉤碼的重力代替牽引小車的力確實(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的辦法，很想使用.在這種現(xiàn)實(shí)的需求下，學(xué)生解決問題的愿望一下子變得強(qiáng)烈起來.

（2）筆者在這節(jié)課做了大膽的嘗試.先是用綁在小車上的彈簧秤來測量運(yùn)動(dòng)中小車受到的拉力大小.但是由于小車運(yùn)動(dòng)的速度大、時(shí)間短，不太容易對彈簧秤進(jìn)行讀數(shù)，這種實(shí)驗(yàn)方法實(shí)際上行不通.在探究活動(dòng)受阻的情況下，用綁在小車上的力傳感器來演示說明其受到的拉力不等于重力，并得出在什么情況下近似等于牽引小車的力.

我的具體做法是：先用約為1N重的鉤碼牽引小車，用傳感器很快就能得出在運(yùn)動(dòng)中小車所受到的拉力為074N.當(dāng)學(xué)生看到這一結(jié)論時(shí)都認(rèn)為誤差太大，怎么辦？有學(xué)生提議用更重的鉤碼牽引小車，發(fā)現(xiàn)誤差更大了.接下來同學(xué)們自然就想到用較輕的鉤碼來牽引小車，發(fā)現(xiàn)這時(shí)誤差已很小了.通過自己的努力思索、積極探究，終于找到了解決問題的真正辦法.學(xué)生們是非常興奮的.在這里傳感器的好處和作用就很好地體現(xiàn)了出來，同時(shí)可以說明使用傳感器也不一定整堂課都用，也可以是在一個(gè)很小的局部物理問題上使用，同樣可以起到畫龍點(diǎn)睛、輔助教學(xué)的作用.

所以，本節(jié)課安排了這么一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，這樣做，無疑是對學(xué)生日后科學(xué)探究活動(dòng)提供方法上的指導(dǎo)，也改變了學(xué)生的思維觀念；同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的意識，并在解決問題的過程中能夠正確應(yīng)用科學(xué)的思維方法和實(shí)驗(yàn)方法.

[附件1：幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).】

（1）用095N重的鉤碼牽引小車

（2）用147N重的鉤碼牽引小車

（3）用047N重的鉤碼牽引小車

（4）用024N重的鉤碼牽引小車

[附件2：本節(jié)課的教案】

實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系（第一課時(shí)）

[教學(xué)目標(biāo)】

1知識與技能：

（1）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)；

（2）理解探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系的合理性和必要性；

（3）理解實(shí)驗(yàn)思路的合理性.

2過程與方法：

（1）指導(dǎo)學(xué)生如何定量的探究加速度和力、物體質(zhì)量的關(guān)系；

（2）培養(yǎng)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力；

（3）體會(huì)整個(gè)探究過程的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和合理性.

3情感態(tài)度與價(jià)值觀：

（1）通過探究實(shí)驗(yàn)的方案，培養(yǎng)實(shí)事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度；

（2）通過實(shí)驗(yàn)探究的確定，激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神；

（3）培養(yǎng)與人合作的團(tuán)隊(duì)精神.

[教學(xué)重點(diǎn)】

1如何測出加速度、力、質(zhì)量的值；

2探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系；

3如何提出實(shí)驗(yàn)方案并使實(shí)驗(yàn)方案合理可行？

[教學(xué)難點(diǎn)】

1如何提出實(shí)驗(yàn)方案并使實(shí)驗(yàn)方案合理可行；

2對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的理解.

[教具準(zhǔn)備】

多媒體課件，天平、小車、一端帶滑輪的長木板、帶小鉤或小盤的細(xì)線兩條、鉤碼（規(guī)格：10 g、20 g，用作牽引小車的力）、砝碼（規(guī)格：50 g、100 g、200 g，用來改變小車的質(zhì)量）、刻度尺、文件夾、粗線繩（用來牽引小車）、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、學(xué)生電源、紙帶、秒表、傳感器等.

[教學(xué)過程】

[新課導(dǎo)入]

在我校秋季運(yùn)動(dòng)會(huì)的百米比賽中，有的運(yùn)動(dòng)員起跑特別好.

問題一：“起跑好”說的是物理學(xué)中的哪個(gè)物理量比較大呢？

（加速度）

請問：大家見過飛機(jī)、賽車和摩托車的起跑比賽嗎？

（看錄像）

問題二：起跑時(shí)，誰的加速度比較大呢？

問題三：既然三者都獲得了加速度，也就是說其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都發(fā)生了改變，說明它們都受到了外力的作用.為什么受力較小的摩托車卻能獲得較大的加速度呢？

（其質(zhì)量?。?/p>

問題四：假如我們使用特殊的材料讓三者的質(zhì)量一樣，三者的加速度又將發(fā)生什么變化呢？

（飛機(jī)的加速度最大）

通過以上的分析可知，物體的加速度一定是由物體所受的力以及自身的質(zhì)量決定的.

究竟加速度與力、質(zhì)量有何定量關(guān)系呢？

這節(jié)課我們就來探究如何利用實(shí)驗(yàn)的方法來確定加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系.

[新課教學(xué)]

一、猜想加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

請大家分組討論：加速度與力、質(zhì)量之間可能的關(guān)系，并結(jié)合生活中的現(xiàn)象簡單說明猜想的依據(jù).

（1）m一定，F(xiàn)增大，a增大，a可能與F成正比或二次方、三次方的關(guān)系……（2）F一定，m增大，a減小，a可能與F成反比或二次方、三次方的反比關(guān)系……

下面我們用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證大家的猜想，首先確定自己的探究方案.

二、確定探究方案

1、如何測出m、F、a

（1）m 用天平

（2）不受力的物體是不存在的.“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”這句話中的力指的是物體受到的合外力.

下面大家思考：如何解決小車的受力問題呢？根據(jù)我們現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件：用鉤碼牽引小車.

（說明用彈簧秤拉，不容易控制）

①用鉤碼牽引小車是小車所受到的合外力嗎？

②車和木板之間是有摩擦力的，如何平衡摩擦力？

a、用二力平衡的知識，用彈簧秤拉，不容易控制.

b、利用重力的分力平衡，墊高一端.小車可以從長木板的一端大致勻速地走到另一端.并說明小車質(zhì)量改變的情況.

c、用氣墊導(dǎo)軌.

③鉤碼的重力等于牽引小車的力嗎？

[傳感器演示說明其受到的拉力不等于重力，并得出在什么情況下鉤碼的重力近似等于牽引小車的力.】

總結(jié)并提示：M鉤碼≤1/6m車時(shí).

（3）a的測量（結(jié)合前面所學(xué)的知識，希望同學(xué)們想出盡可能多的方法，并給予比較.）

①根據(jù)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式：x=12at2，用秒表和刻度尺，不準(zhǔn)確.

②用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的方法，公式法和圖象法.

③用傳感器測各點(diǎn)所對應(yīng)的速度，用圖象求斜率的方法得出a.

④因?yàn)閮蓚€(gè)小車的初速度都為零，拉力大小不同，但對每個(gè)小車來說保持不變，根據(jù)我們前面的實(shí)驗(yàn)證明：小車應(yīng)該做勻加速直線運(yùn)動(dòng).根據(jù)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式x=12at2可知，加速度和位移成正比，只要測量位移就可以得到加速度與受力之間的關(guān)系.

2、分組討論并且每組設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，并確定實(shí)驗(yàn)步驟.

參考的實(shí)驗(yàn)原理圖：

[小結(jié)】

提問：通過這堂課，你除了初步明白了如何探究加速度、力、質(zhì)量之間的關(guān)系以外，你還學(xué)會(huì)了什么？（如技能、方法、感悟等）（理論探究的一些思想方法……）

比如：

（1）我們在研究一個(gè)物理問題時(shí)要注意其合理性和必要性；

（2）在處理有些實(shí)驗(yàn)時(shí)信息技術(shù)可以起到很好的作用，準(zhǔn)確、快捷、使一些常規(guī)方法不太好解決的問題得以很好的解決；

（3）要有實(shí)事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度；

（4）科學(xué)探究活動(dòng)既要有大膽的猜想，也應(yīng)該具有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度……

對同學(xué)們提到的收獲都應(yīng)給予肯定.

[板書設(shè)計(jì)】

實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

一、猜想加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

m一定，F(xiàn)增大，a增大 F一定，m增大，a減小

二、確定自己的探究方案并確定實(shí)驗(yàn)步驟.、

（1）如何測出m、F、a

（2）確定實(shí)驗(yàn)步驟

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書（物理必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]周譽(yù)藹.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書（物理必修1）教學(xué)參考書[M].北京：人民教育出版社，2007.

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