创新实验说课-利用DIS探究加速度与力、质量的关系

一、使用教材

鲁科版必修1第六章第2节《牛顿第二定律》。

二、实验器材

DIS位移传感器、计算机、小车（178.5g）、导轨、便利贴一本（做垫片）、0.1g分度值电子秤、铁夹（10.7g）5个，小车配重块（49.2g）4块。

三、实验创新要求/改进要点

1. 撕取合适厚度的便利贴垫高导轨，可便捷地平衡摩擦力。利用DIS位移传感器测量平衡摩擦力后，小车在导轨上运动的加速度小于0.010m/s²。

2.教材中指出“只要重物的质量远小于小车的质量，那么可拟认为重物所受的重力大小等于小车所受的合外力的大小。”然而，实际实验中重物的质量往往并不会远小于小车的质量，会造成很大的系统误差，以本次实验所用的器材为例，最大的一组实验系统误差会达到29.97%。

本次实验中将小车和铁夹（重物）视为整体，把小车上的铁夹取下挂在细绳末端拉小车，从而保持整体的质量不变，只改变合外力的大小。改进后的实验极大地减小了系统误差。

3.用DIS位移传感器、配合DIS专用软件，在计算机直接生成位移-时间图象，选取合适区间段，获得小车的加速度。注意剔除刚释放小车时因手动作不够快，以及小车接近导轨末端由于磁铁排斥缓冲对小车加速度的干扰。

4.利用Excel软件分析数据，作图象，看相关指数R²是否接近于1。

四、实验原理/实验设计思路

1.通过平衡摩擦力，即把无滑轮一侧的导轨适当垫高，使小车恰能匀速下滑。消除摩擦力对小车的影响。

2.利用整体法，即把小车和重物视为整体，则重物受到的重力大小等于小车和重物这个整体受到的合外力，从而极大地减小系统误差。

3.利用控制变量法，研究力、质量两个因素与加速度的定量关系。

4.利用软件处理、分析数据。

五、实验教学目标

（一）知识与技能

1．通过实验探究加速度与力和质量之间的定量关系；

2．培养学生动手操作能力。

（二）过程与方法 

1．使学生掌握在研究三个物理量之间关系时，用控制变量法实现；

2．指导学生根据原理去设计实验，用整体法减少系统误差；

3．指导学生利用DIS实验设备提高实验精度，利用软件处理数据，寻求物理规律。

（三）情感态度与价值观

1．通过实验规律的探究激发学生的求知欲和创新精神；

2．使学生养成实事求是的科学态度，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦；

 3．培养学生的合作意识，相互学习、交流、共同提高的学习态度。

六、实验教学内容

本节课利用DIS探究加速度与力、质量的关系。通过实验测量得到a与F成正比，a与m成反比。

七、实验教学过程

（一）创设情景、提出问题

小实验：让学生用相同的力吹两个外形一样质量不同的小盒子，再让学生用不同的力吹同一个盒子，感受加速度与力、质量的关系。

（二）提出猜想，进行预测

提出假设和猜想：加速度与力成正比；加速度与质量成反比。

（三）设计方案、分组探究

提出问题串

1.如何消除导轨对小车的摩擦力造成的复杂影响？

2.重物的重力是否是小车的合外力？

3.如何分析力、质量两个因素对加速度的影响？

通过师生互动、学生思考、小组讨论进行实验设计。

1.通过平衡摩擦力，即把无滑轮一侧的导轨适当垫高，使小车恰能匀速下滑。消除摩擦力对小车的影响。（如图1）

2.利用整体法，即把小车和重物视为整体，则重物受到的重力大小等于小车和重物这个整体受到的合外力，从而极大地减少系统误差。（如图2）

3.利用控制变量法，研究力、质量两个因素与加速度的定量关系。

（四）进行实验，收集数据

首先平衡摩擦力，将长木板不带滑轮一端适当垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡。

实验一：探究  a与F的关系，保持M_总不变，改变F

把车子上的铁夹依次取下，挂在绳末端牵拉小车。

测得如下表数据

 

相关指数R²=0.998，相关性很强。

实验二：探究 a 与F的关系 ，保持F不变，改变M_总

始终保持用2个铁夹牵拉，把4个49.2g的配重块逐个加到小车上。

测得如下表所示数据。

在反复实验的基础上，结合学生分组实验得到的多组数据可得出结论：

当m一定时，a∝F

当F一定时，a∝

由此可得：a∝

　，　

即a = k

  

∴ F=kma

我们规定当m与a 都采用国际单位制时，k=1,则F的单位为N。

进一步分析数据：

发现在误差允许的范围内，k=1

符合物理学的规定，也反映出实验数据的准确性。

（六）小结评估、布置作业

1.写一份关于本节课探究实验的小报告.

2.开放实验室，让有兴趣同学进一步探索牛顿第二定律.

八、实验效果评价

1.提高实验效率：⑴撕取便签纸垫高导轨平衡摩擦力，操作方便。⑵用铁夹来改变F的大小操作简便。⑶用Excel软件处理分析数据，避免了繁琐的机械运算。本实验的设计极大的缩短操作时间，使得课堂有更多的时间进行实验的分析、总结、交流讨论。

2.提高实验精度：⑴利用DIS位移传感器测量，数据精度很高。⑵用0.1g分度值的电子秤测量质量方便、准确。⑶利用Excel绘制图象、分析相关性，比传统实验使用坐标纸精确。通过相关指数R²可以很好地反映数据的精度。