廣東中山卓雅外國語學(xué)校-高中物理-創(chuàng)新試驗(yàn)-牛頓第二定律

1、牛頓第二定律探究加速度與合外力、加速度與質(zhì)量間的定量關(guān)系一、使用教材滬科版高一第一學(xué)期第三章B牛頓第二定律”二、實(shí)驗(yàn)器材DIS系統(tǒng)，DISLab加速度和力的關(guān)系”專用軟件：配有力傳感器的數(shù)碼小車（不同配重）、軌道、祛碼、細(xì)線三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)要點(diǎn)教材中，用DIS探究加速度與合外力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系為學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但是教材中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)采用了將鉤碼的重力大小mg視為細(xì)繩的拉力F。這種近似只有在一定條件下才成立，由于鉤碼重力的作用，小車在軌道上做勻加速直線運(yùn)動。設(shè)小車的質(zhì)量為m0,鉤碼的質(zhì)量為m,理論上有：（m0+m）a=mg小車與鉤碼共同的加速度大小：a=gm0m而小車受到的合外力：F=m0a=mm0

2、g=mgm0m只有當(dāng)m0>>m時(shí)，才有Fmg改進(jìn)一：用力傳感器直接測量細(xì)繩上的拉力。由以上理論分析可以知道，為了使鉤碼的重力大小mg可視為細(xì)繩的拉力大小F,實(shí)驗(yàn)中要求鉤碼的質(zhì)量m要遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量m0O由于本實(shí)驗(yàn)是用來探究牛頓第二定律的，對這個要求的解釋需要用到牛頓第二定律，使得老師無法向同學(xué)說明這樣做的理由，只能提出硬性規(guī)定，等學(xué)完牛頓第二定律之后再向同學(xué)們做解釋。本實(shí)驗(yàn)通過力傳感器，直接測量細(xì)繩上的拉力，不需要再做近似，原理簡單，對學(xué)生來講更容易理解。將力傳感器固定在小車上，拉小車的細(xì)繩直接拴在力傳感器上，在小車運(yùn)動的過程中，計(jì)算機(jī)上給出力F隨時(shí)間t變化的圖象。改進(jìn)二：在研究當(dāng)

3、小車質(zhì)量不變時(shí)a與F的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行了再利用，從而獲得加速度與質(zhì)量關(guān)系的多組數(shù)據(jù)。在控制小車所受合外力不變、改變小車質(zhì)量的過程中，教材中由于將鉤碼重力mg視為細(xì)繩的拉力F,因此只要鉤碼質(zhì)量m不變，就近似認(rèn)為小車所受合外力不變。但從前面的推導(dǎo)中不難看出，F(xiàn)mg,本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)一也正是用力傳感器直接測量了細(xì)繩上的拉力F,由此帶來了新的問題，隨著小車質(zhì)量的改變，即使鉤碼質(zhì)量不變，細(xì)繩上的拉力也會發(fā)生改變，無法精確的控制每次實(shí)驗(yàn)的合外力不變。理論上可以通過同時(shí)調(diào)整小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量來控制細(xì)繩拉力不變，但操作起來比較困難，而且難以向?qū)W生解釋。具體方案是：在實(shí)驗(yàn)一中，分發(fā)給每個小組的小車

4、質(zhì)量各不相同，收集五組同學(xué)的a-F數(shù)據(jù)，將其匯總至同一a-F坐標(biāo)系中，得到五條斜率不同的直線。在圖中作一根平行于a軸的直線，與每個圖線都有一個交點(diǎn)，就得到了同一合外力下多組a-m數(shù)據(jù)，由此可以研究當(dāng)拉力相同時(shí)，a和m的定量關(guān)系。通過改進(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)到了一種新的獲取數(shù)據(jù)的方法，同時(shí)解決了拉力無法控制不變的問題。四、實(shí)驗(yàn)原理/實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路1、控制變量法：實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法。先保持小車的質(zhì)量不變，通過改變鉤碼的個數(shù)來改變小車所受的拉力F,測出相應(yīng)的加速度a,獲得多組數(shù)據(jù)，通過在a-F坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖，獲得a與F的關(guān)系；再在保持拉力不變的情況下，改變小車的質(zhì)量m,測出相應(yīng)的加速度，獲得多組數(shù)據(jù)，通過在

5、a-m坐標(biāo)系及a-1/m坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖，獲得a與m的關(guān)系。2、研究a-F關(guān)系時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。研究對象為一輛在平直軌道上的數(shù)碼小車，數(shù)碼小車與力傳感器組合在一起，細(xì)線一端系在力傳感器上，另一端繞過一定滑輪，懸掛鉤碼。在鉤碼重力的作用下，小車在軌道上做勻加速直線運(yùn)動。將軌道墊高，讓小車重力沿斜面方向的分力恰好平衡小車所受摩擦力，此時(shí)繩子拉力即小車所受合外力。小車在繩子拉力F作用下運(yùn)動時(shí)，力傳感器測量小車所受合外力，數(shù)碼小車測量小車運(yùn)動的位移，通過無線傳輸信號的方式，計(jì)算機(jī)上可同時(shí)獲得v-t圖象和F-t圖象，界面如圖2。選擇合適的區(qū)域,即可得到相應(yīng)的a-F數(shù)據(jù)。r-si-.圖23、研究a-

6、m關(guān)系時(shí)，由于無法嚴(yán)格的控制拉力不變，因此選擇五組不同質(zhì)量的情況下a與F的關(guān)系數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)由于課堂時(shí)間有限，無法令每組同學(xué)重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)來獲得數(shù)據(jù)。因此在探究一中分發(fā)給每個小組的小車質(zhì)量均不相同，探究二可以采用將第一組實(shí)驗(yàn)中五個小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，在同一張a-F坐標(biāo)系中將五個不同質(zhì)量小車的a與F的圖象繪制出來。然后，請每個小組的同學(xué)自行在圖上作一根平行于縱軸的直線，與五個圖線各有一個交點(diǎn)，讀出每個交點(diǎn)的縱坐標(biāo)，即可獲得五組相同拉力作用下的a與m的數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)1 .知識與技能(1)知道力是產(chǎn)生加速度的原因；知道物體的加速度與所受合外力、物體質(zhì)量間的定性關(guān)系；理解加速度與合外力間的定量

7、關(guān)系；理解加速度與質(zhì)量間的定量關(guān)系；理解牛頓第二定律的表達(dá)式；會用自己的話表述牛頓第二定律的內(nèi)容；(2)初步學(xué)會根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定待測物理量，并選擇相應(yīng)的測量傳感器；初步學(xué)會正確操作實(shí)驗(yàn)，完成物理量的測量和記錄；學(xué)會描點(diǎn)作圖、根據(jù)正比例函數(shù)圖像獲得物理量之間的正比關(guān)系；初步學(xué)會分析數(shù)據(jù)，并從中尋求證據(jù)，驗(yàn)證猜想。2 .過程與方法(1)在從牛頓第一定律出發(fā)推理物體在合外力不為零時(shí)運(yùn)動情況的過程中，感受理論思辨、邏輯推理的科學(xué)研究方法。(2)在從多次測量的數(shù)據(jù)中歸納F、m、a三者之間定量關(guān)系的過程中，運(yùn)用信息技術(shù)探究物理規(guī)律的方法。(3)在提出猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、搜集證據(jù)、分析數(shù)據(jù)、獲得結(jié)論的過程中，經(jīng)

8、歷科學(xué)探究的一般過程，感悟化曲為直的物理思想方法。3 .情感態(tài)度與價(jià)值觀(1)在利用DIS進(jìn)行物理量測量的過程中，體驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步對物理研究、物理學(xué)習(xí)帶來的便利，感悟科學(xué)與技術(shù)的相互促進(jìn)。(2)在通過實(shí)驗(yàn)尋求結(jié)論的過程中，養(yǎng)成對待實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)、客觀的科學(xué)態(tài)度。(3)在操作實(shí)驗(yàn)的過程中，感悟合作是完成較復(fù)雜任務(wù)的有效手段。六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容課堂教學(xué)中，將學(xué)生分為五個小組，以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1、控制小車質(zhì)量M不變，研究a與F的定量關(guān)系操作實(shí)驗(yàn)：每個實(shí)驗(yàn)小組擁有一輛小車，在實(shí)驗(yàn)中保持小車質(zhì)量M不變。小組同學(xué)合作，分別承擔(dān)點(diǎn)擊鼠標(biāo)、釋放小車、控制小車停止運(yùn)動、控制鉤碼防止其晃動等任務(wù)，并且相互之間要協(xié)調(diào)

9、好動作次序。收集數(shù)據(jù)：重復(fù)步驟，做5次實(shí)驗(yàn)，獲得5組a、F數(shù)據(jù)，記錄在表1中：處理數(shù)據(jù)：根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在如圖3的a-F坐標(biāo)系中描點(diǎn)作圖。本實(shí)驗(yàn)是進(jìn)入高中以來學(xué)生的第一個通過描點(diǎn)作圖尋求物理量之間定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，因此，盡管計(jì)算機(jī)軟件界面上可以直接繪制a-F關(guān)系圖象，但本實(shí)驗(yàn)還是請學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中，讓學(xué)生自己在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)連線，在完成任務(wù)的過程中學(xué)習(xí)和體驗(yàn)這種用數(shù)學(xué)圖象尋求物理量間定量關(guān)系的數(shù)據(jù)處理方法。得出結(jié)論：根據(jù)獲得的圖象得出在質(zhì)量不變的情況下運(yùn)動物體的a與F的定量關(guān)系：a0cF。2、控制細(xì)繩拉力不變，研究a與M之間的定量關(guān)系提出方案：為了控制合外力不變，同學(xué)提出的實(shí)驗(yàn)方案為：保持

10、鉤碼數(shù)量不變，僅改變小車的質(zhì)量。為了檢驗(yàn)該方案是否可行，每組學(xué)生在保持鉤碼為2個的情況下，改變小車質(zhì)量。若第一次僅拉動小車運(yùn)動，第二次在小車上加200g配重片，測得的拉力數(shù)據(jù)如圖4。從圖中數(shù)據(jù)可以看到，隨著小車質(zhì)量的增大，拉力明顯的變大了。解決方法：上述實(shí)驗(yàn)說明，控制細(xì)繩拉力不變是很難做到的。但小車質(zhì)量是可以控制不變的，觀察探究一中五組同學(xué)所得到的a-F數(shù)據(jù)圖，五組圖線均為直線，但由于每組同學(xué)所使用的小車質(zhì)量各不相同，因此a-F圖線的斜率各不相同，如果將所有數(shù)據(jù)都繪制到同一坐標(biāo)系中，就獲得了5條不同斜率的a-F圖線，這樣就可以利用這些已有數(shù)據(jù)獲得合外力不變時(shí)a與M的關(guān)系數(shù)據(jù)了。收集數(shù)據(jù)：在上述

11、控制小車質(zhì)量不變研究a與F的定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，五個小組所用的小車質(zhì)量各不相同，于是將五個小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表2所示:表2組別m1=0.486kgm2=0.580kgm3=0.690kgm4=0.778kgm5=0.984kga1Fia2F2a3F3a4F4a5F510.840.380.750.380.630.410.600.410.480.4521.280.561.070.570.910.630.840.620.710.6631.660.711.420.741.150.791.090.791.101.0641.980.871.670.891.400.971.360.961.121.10

12、52.221.001.931.041.621.111.571.101.131.22在同一張a-F坐標(biāo)系中將五個不同質(zhì)量小車的a與F的圖象繪制出來，如圖5所示:圖5請每個小組的同學(xué)自行在圖上作一根平行于縱軸的直線，與五個圖線各有一個交點(diǎn)，讀出每個交點(diǎn)的縱坐標(biāo)，即可獲得相同五組相同拉力作用下的a與M的數(shù)據(jù)，填入表格3:（表3中的加速度的數(shù)據(jù)是取F=1.0N讀出的）處理數(shù)據(jù)：將數(shù)據(jù)輸入Excel表格中，在事先設(shè)計(jì)好的坐標(biāo)圖象中可直接獲得a-m和a-1/m圖象，如圖6所示。(A)a-m圖象(B)a-1/m圖象得出關(guān)系：根據(jù)獲得的圖象得出在拉力不變的情況下運(yùn)動物體的a與m的定量關(guān)系：a1/m,即加速度a

13、與質(zhì)量m成反比。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程1、教學(xué)流程圖2.流程圖說明活動I學(xué)生實(shí)驗(yàn)：研究一輛小車運(yùn)動的加速度與合外力間的定量關(guān)系介紹方案：測量哪些物理量？分別用什么測量工具？實(shí)驗(yàn)裝置？如何操作？怎樣記錄數(shù)據(jù)？實(shí)驗(yàn)過程：分5個小組實(shí)驗(yàn)。記錄、處理數(shù)據(jù)：在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上記錄數(shù)據(jù)、描點(diǎn)連線。交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得結(jié)論。活動II數(shù)據(jù)再處理：研究相同合外力作用下，不同質(zhì)量的小車加速度與質(zhì)量間的關(guān)系匯總五組數(shù)據(jù)，在一個a-F坐標(biāo)系中得到五個正比例圖線；五條線對應(yīng)小車的質(zhì)量不同，加速度還與小車質(zhì)量有關(guān)；五組小車的加速度與質(zhì)量的數(shù)用一根平行于縱軸的直線,獲得在相同的合外力作用下，1據(jù)，記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的表格中。計(jì)算機(jī)繪制a-m

14、圖像，獲得結(jié)論。八、實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)（一）成功之處一一達(dá)到了課標(biāo)規(guī)定的知識與技能”目標(biāo)1、用力傳感器直接測量小車受到的細(xì)繩拉力F,避免了將鉤碼重力G視為細(xì)繩拉力帶來的系統(tǒng)誤差；2、位移傳感器和力傳感器的數(shù)據(jù)同步進(jìn)入計(jì)算機(jī)，圖象上獲得了同一段時(shí)間的v-t圖象和F-t圖像，選擇區(qū)域時(shí)在兩個圖象上也是針對同一段時(shí)間的，這樣小車每完成一次勻加速的直線運(yùn)動，即可獲得一組數(shù)據(jù)，極為快速、便捷，使得在一節(jié)課上完成加速度與力、質(zhì)量三者之間定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究成為可能，從而提高了教學(xué)效率。3、整合五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并在此基礎(chǔ)上搜集新數(shù)據(jù)的方法，解決了難以控制細(xì)繩拉力不變的問題。（二）在過程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀方面取得的成效1、在用Excel表格呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、軟件處理數(shù)據(jù)的過程中，使學(xué)生學(xué)會并感悟應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理數(shù)據(jù)的方法，這對學(xué)生將來走上社會的終身發(fā)展需要影響極大；2、在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)、搜集數(shù)據(jù)的過程中，小組內(nèi)成員分工合作、齊心協(xié)力