利用傳感器探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

利用傳感器儀器探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系四川省綿陽中學(xué)張為敏一、使用教材（1）版本及冊(cè)次：教科版必修第一冊(cè)第四章第二節(jié)《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》。（2）年級(jí)：高一。（3）課程名稱：利用傳感器儀器探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)器材（1）教材原始實(shí)驗(yàn)器材：電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、小車、軌道、電子天平、鉤碼、刻度尺、細(xì)線、白紙、筆；（如圖1）圖1教材原始實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材：氣墊導(dǎo)軌和滑塊、無線拉力傳感器、智能手機(jī)、電子天平、筆記本電腦、鉤碼、細(xì)線、白紙、筆。（如圖2）圖2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新（1）改進(jìn)：1）用氣墊導(dǎo)軌代替小車軌道；2）合力測(cè)量采用無線拉力傳感器。（2）創(chuàng)新：加速度的測(cè)量用智能手機(jī)內(nèi)置傳感器。四、實(shí)驗(yàn)原理/實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路基于教科書，首先提出探究加速度與力、質(zhì)量三者定量關(guān)系的必要性，然后引導(dǎo)學(xué)生就實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)、相關(guān)物理量的測(cè)量、實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)收集以及數(shù)據(jù)處理與分析等方面完成對(duì)加速度與力的關(guān)系和加速度與質(zhì)量的關(guān)系的探究。然后師生共同交流實(shí)驗(yàn)中遇到的問題和解決辦法，嘗試實(shí)驗(yàn)中遇到的問題可以做的改進(jìn)和創(chuàng)新。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（一）物理觀念初步形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀，能將其應(yīng)用于理解力與運(yùn)動(dòng)的定量關(guān)系問題。（二）科學(xué)思維會(huì)用控制變量法、圖像法等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并處理數(shù)據(jù)，能夠從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析出加速度與力、物體質(zhì)量的關(guān)系。（三）科學(xué)探究經(jīng)歷探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過程，能夠依照物理事實(shí)結(jié)合邏輯推理運(yùn)用圖像等方法去確立物理量之間的關(guān)系，發(fā)展依據(jù)證據(jù)、運(yùn)用邏輯和現(xiàn)有知識(shí)進(jìn)行科學(xué)論證和解釋的能力.（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任用生活中的物品做物理實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)物理知識(shí)與生活的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生對(duì)于探究的興趣和求知欲，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)探究過程的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，培養(yǎng)合作意識(shí)。六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容（1）探究力一定時(shí)，物體加速度與物體質(zhì)量的定量關(guān)系。（2）探究物體質(zhì)量一定時(shí)，物體加速度與力的定量關(guān)系。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（5min）問題1：加速度的影響因素有力和質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)中選用什么方法進(jìn)行探究？控制變量法問題2：根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，思考?yīng)當(dāng)構(gòu)建一個(gè)怎樣的物體運(yùn)動(dòng)過程？在這個(gè)過程中需要測(cè)量哪些物理量？加速度：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶；質(zhì)量：電子天平；合力：鉤碼重力。問題3：小車所受合力等于鉤碼重力嗎？不等于，存在摩擦力。問題4：能否平衡掉摩擦力呢？如何操作？阻力補(bǔ)償法：將軌道一端墊高，使小車的重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡，直到紙帶上打出間隔均勻的點(diǎn)。（如圖3）圖3平衡摩擦力所用紙帶問題5：平衡摩擦力后小車所受合力等于鉤碼重力嗎？如果不等于的話，在什么條件下可以近似等于呢？（學(xué)生加以思考）實(shí)驗(yàn)條件：只有在小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量時(shí)，鉤碼重力才能近似等于小車合力。分組實(shí)驗(yàn)（10min）分組探究、分工合作：將學(xué)生分成6人小組，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（如圖4）圖4學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析（10min）問題6：為了直觀地反映所獲得數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，選用方法？圖像法（如圖5、圖6）圖5質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的圖像圖6力一定時(shí)加速度與質(zhì)量的圖像問題7：根據(jù)圖像猜測(cè)，加速度與質(zhì)量的關(guān)系可能如何？猜測(cè)力一定時(shí)，加速度可能與質(zhì)量成反比，作出加速度與質(zhì)量倒數(shù)的圖像。（如圖7）圖7力一定時(shí)加速度與質(zhì)量倒數(shù)的圖像結(jié)論：質(zhì)量一定時(shí)，小車加速度與所受合力成正比；質(zhì)量一定時(shí)，小車加速度與所受合力成正比。交流與評(píng)價(jià)（8min）問題8：通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)中存在什么問題？（圖像5、7中的縱截距說明了什么？）平衡摩擦力過程用時(shí)長且較為粗略實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像縱截距表明：此次實(shí)驗(yàn)平衡摩擦力過度向?qū)W生介紹氣墊導(dǎo)軌：為了盡量減小摩擦力的影響，我們可以用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。（如圖8）圖8氣墊導(dǎo)軌（2）問題9：實(shí)驗(yàn)存在著怎樣的系統(tǒng)誤差？如何改進(jìn)？鉤碼重力實(shí)際不等于滑塊所受合力向?qū)W生介紹無線力傳感器（如圖9）圖9無線力傳感器向?qū)W生介紹一款手機(jī)內(nèi)置加速度傳感器的app：phyphox。考慮嘗試將手機(jī)用于實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行加速度的測(cè)量（如圖10）圖10phyphox界面實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)（12min）實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)：氣墊導(dǎo)軌代替小車軌道；合力測(cè)量：無線拉力傳感器物理量測(cè)量方法的創(chuàng)新：加速度測(cè)量：手機(jī)app內(nèi)的phyphox軟件（3）學(xué)生學(xué)習(xí)并嘗試進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)（如圖11）圖11學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（如圖12）圖12創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論:質(zhì)量一定時(shí)，物體加速度與所受合力成正比；合力一定時(shí)，物體加速度與質(zhì)量成反比。交流討論1）在所掛鉤碼保持不變時(shí)，改變小車質(zhì)量時(shí)，拉力一定恒定嗎？學(xué)生再次實(shí)驗(yàn)并認(rèn)真分析比較拉力傳感器記錄的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)拉力值有微小差異2）難以嚴(yán)格控制變量拉力恒定，如何在已有探究結(jié)果基礎(chǔ)上補(bǔ)充探究？補(bǔ)充探究：加速度與F/m的關(guān)系（如圖13）圖13加速度與F/m的圖像從教材原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如圖14）中討論將鉤碼重力作為滑塊合力造成的誤差圖14教材原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)鉤碼重力實(shí)際不等于滑塊所受合力，除第五組數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)整體表現(xiàn)的規(guī)律：懸掛鉤碼重力越大，小車質(zhì)量越小，將鉤碼重力當(dāng)作小車合力造成的誤差越大（5）手機(jī)內(nèi)置傳感器app可以測(cè)生活中的加速度.（如圖15）圖15乘坐電梯過程中利用手機(jī)傳感器記錄的數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)本實(shí)驗(yàn)在學(xué)生真實(shí)完成教材原實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，注重了探究的開放性，基于對(duì)問題的討論，引導(dǎo)學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)和解決問題，通過這種體驗(yàn)提高學(xué)生使用多種方法和手段分析、處理信息的能力、基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合邏輯推理得出結(jié)論的能力、對(duì)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估與反思的能力，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究能力。（2）通過引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)