基于“比值关系”的牛顿第二运动定律探究实验的改进

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基于“比值关系”的牛顿第二运动定律探究实验的改进

摘要: “牛顿第二运动定律探究实验”是高中物理新课程必修模块中典型的探究实验之一。本文作者引导学生改进课本中用“比值关系”进行的对比实验,让学生体验科学探究的过程。根据改进实验目的,自选实验器材,制定改进实验方案,收集实验数据,得出实验结论,并对实验结果进行分析和评估。

关键词: 牛顿第二定律比值法探究实验

“探究加速度与力、质量的关系”是人教版普通高中物理实验教科书(必修1)第四章《牛顿运动定律》第2节的内容。本节内容的基本思路是:保持物体质量不变,测量物体在不同拉力作用下的加速度,分析加速度与力的关系;保持物体所受的拉力相同,测量不同质量的物体在该力作用下的加速度,分析加速度与质量的关系。[1]课本采用了对照比较的探究方法,测量不同情况下物体加速度的比值与外力比值、质量比值的关系,实验探究的内容更加符合牛顿第二定律的本义,也体现了新课程实验设计从验证性向探究性转变的理念。

为使学生理解和掌握用对照实验探究牛顿第二定律,理解“比值关系”在实验操作和数据处理中的作用,我引导学生改进课本实验方案,让学生参与实验新方案的设计,参与实验操作过程和处理实验误差,并能评估实验方案和实验结果。[2]

一、问题提出

设计“探究牛顿第二运动定律”实验(图一:课本的实验装置)时,我采用了对照比较实验的方法。怎样使这种实验方案更好地解决以下问题?

①如何让学生体验探究的过程,培养学生的动手实践能力。

②实验中如何真正落实“比值关系”。

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③怎样准确控制两车运动步调的一致性。

④怎样减少实验误差。

⑤如何增加对照的实验效果,让实验现象更明显。

二、探究实验的过程

(一)引导学生准备实验器材。

①自制两端带有滑轮的铝合金导轨1个;②自制电磁铁2个;③相同的小车2个;④钩码:5g、10g、20g各几个,用于提供牵引小车的力;100g、200g各几个,用于改变小车的质量;⑤学生电源1个;⑥铁架台2个;⑦天平、砝码;⑧小筒2个,各5g;⑨1.5—2.0米长的适当粗细的棉线两条;⑩米尺、水平仪、导线若干。实验电路(如图二改进的实验装置)

(二)引导学生探究实验,体验比值关系。

1.保持小车质量M=M=200g(2个单位质量,取100g为一个单位质量)不变,改变两小车的拉力,探究加速度与外力的关系。

操作要点:用天平测出小筒的质量为5g,以5g的重力作为一个单位力,保持小车的质量不变,即M=M。通过改变拉两小车的力是单位力的几倍来确定两边拉力的比例关系F∶F。

利用电磁铁在通电时有磁性,断电时磁性消失,可控制两小车同时运动。断开电源后,电磁铁磁性消失,两小车在小桶的拉力作用下做初速度为0的匀加速直线运动,相向运动至相撞,两车运动的时间相同。从标尺上读出两车的位移之比S∶S。结合S=at公式,就可以得出a∶a=S∶S,探究a∶a与F∶F关系。

进行实验:合上电源,小车在电磁铁的吸引下静止,在一边的小桶内放5g的钩码和另一边小桶内不放钩码,一边拉力是单位力,一边拉力是单位力的两倍,

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即拉力F∶F之比为1∶2,断开电源开关,两小车开始运动,记下相遇的位移分别是26.0cm和51.0cm;再合上电源,一边小桶内放5g钩码,别一边小桶内放10g 钩码,即拉力F∶F之比为2∶3,断开电源开关,两小车开始运动,记下相遇的位移为31.5cm和45.5cm;再合上电源,一边小桶内放10g钩码,别一边小桶内放15g钩码,即拉力F∶F之比为3∶4,断开电源开关,两小车开始运动,记下相遇的位移为33.5cm和43.5cm;如此下去。将实验数据记入表一。

以a∶a为纵坐标,以F∶F为横坐标,建立坐标系,根据记录数据描点,画出拟合曲线。

图三实验a∶a与F∶F数据

结论:由数据分析和拟合曲线可知,在误差允许的范围内,小车质量一定,加速度与外力成正比,即a∞F。

2.保持小筒内的钩码质量一定,即小车的拉力不变F=F=30g(6个单位力,以5g作为一个单位拉力),改变小车的质量,探究小车的加速度与小车的质量关系。

操作要点:用天平测出小车的质量为200g,以100g的作为一个单位质量,保持两小车的拉力不变,即F=F。通过改变两小车的质量是单位质量的几倍来确定两车质量的比例关系M∶M。

利用电磁铁在通电时有磁性,断电时磁性消失,可控制两小车同时运动。断开电源后,电磁铁磁性消失,两小车在小桶的相同拉力作用下做初速度为0的匀加速直线运动,相向运动至相撞,两车运动的时间相同。从标尺上读出两车的位移之比S∶S。结合S=at公式,得出a∶a=S∶S,探究a∶a与M∶M的关系。

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进行实验:合上电源,小车在电磁铁的吸引下静止,在一边的小车上放100g 的砝码,另一边小车不放砝码,以100g作为单位质量,一边是单位质量的2倍,一边是单位质量的3倍,即质量M∶M之比为2∶3,断开电源开关,两小车开始运动,记下相遇的位移分别是46.0cm和31.0cm;再合上电源,一边小车上放100g 砝码,别一边小车上放200g砝码,即质量M∶M之比为3∶4,断开电源开关后,两小车开始运动,记下相遇的位移为44.5cm和32.5cm;再合上电源,一边小车上放200g砝码,别一边小车上放300g砝码,即质量M∶M之比为4∶5,断开电源开关后,两小车开始运动,记下相遇的位移为42.5cm和34.5cm,如此下去。将实验数据记入表二。

以a∶a为纵坐标,以M∶M为横坐标,建立坐标系,根据记录数据描点,画出拟合曲线。

图四实验a∶a与M∶M数据

结论:由数据分析和拟合曲线可知,在误差允许的范围内,小车受拉一定,加速度与质量的倒数成正比,即a∞。

(三)实验评估。

实验过程中,学生在教师的指导下共同完成实验的探究过程。从自选实验器材、参与实验操作、共同收集数据和误差分析的整个过程。利用拉力是单位力的倍数改变拉力,小车质量是单位质量的倍数改变小车的质量,拉力和质量的倍数体现在数据的收集和处理的整个过程,灵活运用了“比值关系”。利用电磁铁在通电下有磁性断电时磁性消失的原理同时控制两车共同运动,能准确控制两车运动步调的一致性,比课本上用铁夹来控制两车运动的时间更准确。为了减少实验误差,将用力的比值、加速度比值和质量比值作为处理数据的坐标轴,并将

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相关比值代表的点画拟合曲线,提高了数据处理的准确性,由于整个装置是在支架上进行,用水平仪将水平铝合金导轨调节水平,是实验成功的重要条件。将对比实验放在铁架台和铝合金制作的水平装置上进行,比课本中放在实验桌上进行的实验,增加了实验对照的效果,实验现象更明显。

高中物理新课程实施的一个重要理念就是注重学生自主学习和合作学习能力的培养,要求教师提供多样化的教学方式。而探究实验正是实现这种教学理念的重要途径之一。开发探究实验能让学生深入的学习物理实验的理论、方法和技能;提高学生的实验素养;激发学生实验探究的兴趣;增强学生的创新意识;培养学生实事求是、严谨认真的科学态度;发展学生的实践能力[3]。物理新的课程标准也增加了“物理实验专题”,要求教师和学生对课本上的实验多提出改进方案,让学生具有发现问题、提出实验研究课题的能力,并根据课题的要求,制定实验目的,合理选择、 …… 此处隐藏：2121字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……