精準設(shè)問培養(yǎng)學(xué)生物理思維

鄒央云

一、設(shè)計依據(jù)

新教材編寫中，注重在學(xué)習(xí)概念、規(guī)律的同時，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。讓學(xué)生經(jīng)歷探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的設(shè)計過程，引導(dǎo)從牛頓第一定律出發(fā)，提出探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的必要性，從中讓學(xué)生清楚兩個物理觀念：一、運動是物質(zhì)的一種屬性，物質(zhì)維持其原有運動方式不變的屬性稱為慣性。二、物質(zhì)之間是相互聯(lián)系的，物質(zhì)之間存在著相互作用，這種作用稱為力，它是導(dǎo)致物質(zhì)運動方式發(fā)生改變的原因。為小車施加恒定且恒定且便于測量的力時，讓槽碼質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，減小加速度，使得槽碼的重力與槽碼對小車的拉力近似相等，這是一種抓住事物的主要方面、忽略次要方面研究問題的思維方法。在方案設(shè)計中用啟發(fā)式的語言精準設(shè)問，推動學(xué)生逐步進行推理分析、發(fā)現(xiàn)問題、制定解決方案、訓(xùn)練思維，形成主動探究的意識，養(yǎng)成探究習(xí)慣。

二、教材分析

教科書引導(dǎo)學(xué)生從牛頓第一定律出發(fā)，提出探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的必要性，并從實驗思路設(shè)計、物理量的測量、實驗過程和數(shù)據(jù)分析幾個方面引導(dǎo)學(xué)生完成探究。實驗的基本思路并不難，因此整個教學(xué)過程應(yīng)該更加重視讓學(xué)生體會探究的實質(zhì)：鼓勵學(xué)生提出科學(xué)問題；設(shè)計更多的實驗方案；引導(dǎo)學(xué)生解決實驗中遇到的問題；嘗試用多種方法處理數(shù)據(jù)，基于實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論；以及培養(yǎng)學(xué)生對探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力。

三、教學(xué)設(shè)計

（一）探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的必要性

牛頓第一定律告訴我們，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，速度是描述物體運動狀態(tài)的物理量，運動狀態(tài)改變的定量表達就是速度改變了，而這一改變一定對應(yīng)一個過程即需要一段時間間隔，所以有加速度，由此可以說力是產(chǎn)生加速度的原因。牛頓第一定律還告訴我們物體具有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的屬性即慣性，而衡量慣性的量度是質(zhì)量，也就是說質(zhì)量越大“抵抗”運動狀態(tài)改變的能力就越強。這說明，加速度與力、質(zhì)量之間必然存在一定的關(guān)系，我們有探究加速度和力、質(zhì)量之間關(guān)系的必要性。

（二）實驗思路

要完成這個探究實驗，你有哪些問題？譬如這個實驗需要測量哪些物理量？測量加速度、質(zhì)量、力

可以用什么儀器測量這些物理量？彈簧測力計或力傳感器測量力，天平測量質(zhì)量，打點計時器或頻閃照片或光電門測量加速度

測量哪個研究對象的加速度、質(zhì)量和力？同一個研究對象，比如軌道小車

什么樣的裝置可以同時測量軌道小車的加速度、質(zhì)量和力？圖4.2-1所示裝置可以完成這個探究實驗。將小車置于水平木板上，通過滑輪與槽碼相連。小車在槽碼的牽引下運動。

在這個實驗中，通過測力計用手直接給小車施加一個恒力是否可行？

在這個實驗中，牽引小車的線繩連接力傳感器是否可行？

這個裝置中小車質(zhì)量和細繩拉力對小車加速度都有影響，要如何區(qū)分？用控制變量法，保持小車質(zhì)量不變，通過改變槽碼的個數(shù)改變小車所受拉力。測得不同拉力下小車運動的加速度，分析加速度與拉力的變化情況，找出二者之間的定量關(guān)系。保持小車所受的拉力不變，通過在小車上增加重物改變小車的質(zhì)量。測得不同質(zhì)量的小車在這個拉力下運動單位加速度，分析加速度與質(zhì)量的變化，找出二者的定量關(guān)系。

在保持小車所受拉力不變時，為什么是通過“增加重物”改變小車質(zhì)量？

小車所受的拉力與槽碼的重力是否相等？小車勻加速運動時，槽碼重力一定大于拉力，當(dāng)槽碼的質(zhì)量要比小車的質(zhì)量小很多時，可認為這兩個力近似相等，可用運動學(xué)知識定性分析，不要求定量證明。

細繩對小車的拉力是小車所受的合力嗎？

如何得到小車所受的合力？學(xué)生一般想到的是測出摩擦力

如何讓細繩拉力成為小車所受合力？讓小車所受重力、支持力和摩擦力的合力為0，然后再施加拉力。提出阻力補償?shù)姆桨?/p>

在控制變量法中，當(dāng)增加小車質(zhì)量后是否需要重新補償阻力？

實驗裝置中如何確保槽碼拉小車的力是恒力？

在分析探討以上這些問題后，得出實驗室采用的參考案例1，學(xué)生就很容易接受。

你還有其他方案嗎？它們有哪些優(yōu)點和不足？……

（三）實驗數(shù)據(jù)分析

為了更加直觀的判斷加速度a與拉力F的定量關(guān)系，我們以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)各組實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點。如果這些點在一條過原點的直線附近，說明加速度a與拉力F成正比。如果不是這樣，則需進一步分析。

為了分析加速度a與質(zhì)量m的定量關(guān)系，我們同樣需要建立直角坐標(biāo)系。我們可以定性判斷出質(zhì)量m越大，加速度a越小。從最簡單的情況入手，檢驗是否“a與m成反比”。我們很難從“a-m圖像”直觀看出是否為雙曲線，如何解決這個問題？作“a-1/m圖像”進行檢驗。如果檢驗結(jié)果是過原點的直線，就可以判斷加速度a與質(zhì)量m是成反比。

四、教學(xué)反思

關(guān)于新器材、新技術(shù)在探究實驗中的使用。隨著傳感器的廣泛使用，我們高中物理實驗中的很多器材也可以用傳感器來替代，從而使得實驗操作更加簡單、數(shù)據(jù)更加準確、數(shù)據(jù)處理更加便捷，甚至可以規(guī)避了原來的實驗方案中所可能存在的問題。比如說我們在該實驗中是用所掛槽碼的重力來替代繩子對小車的拉力，由于小車的實際運動不是平衡狀態(tài)，所以繩子中拉力略小于槽碼重力。而如果是在繩子與小車連接處使用力傳感器，則可以直接得到繩子中的拉力，從而規(guī)避了這個重力與拉力不等的問題。不過，從培養(yǎng)學(xué)生思維能力的目的出發(fā)，教材所提供的探究示例是很好的，不應(yīng)該被所謂的新器材所帶來的便捷實驗所替代。