高中物理必修课改革的实验研究_加速度论文

高中物理课改新教材必修课的探究式实验研究，本文主要内容关键词为：必修课论文,课改论文,新教材论文,实验研究论文,高中物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

探究是指对未知问题通过各种途径寻求答案的研究过程。探究式实验是指让学生围绕科学性问题站在一个研究者的角度亲自体验科学探究的过程，并通过教师、学生、课程、实验、环境等信息交流、活动交往，让学生学习探究方法，培养探究意识、创新精神和创新能力。

人教版高中物理课程标准实验教材（以下简称新教材）必修课中的实验有以下特色：

①将实验分为演示实验和学生实验两部分。学生实验以“实验”、“探究”、“做一做”和“问题与练习”四种形式给出。其中“实验”和“探究”大多数为随堂实验和探究式实验；“做一做”一般为随堂实验和课外实验。在必修课（力学）中，“做一做”和“问题与练习”还涉及传感器、计算机、气垫导轨、闪频摄影等许多现代教学手段的应用。

②新教材必修课的实验总数达40个，是旧教材的1.5倍。虽然演示实验从12个减少到6个，但学生实验从7个增加到了13个，“做一做”的实验从7个增加到12个，另外还增加了“问题与练习”的实验9个。新教材充分体现了中学物理以实验为基础的指导思想，增加了学生的动手机会，体现了以学生为主体的现代教育思想。

③新教材必修课中基本都是随堂实验和探究式实验，测定性实验和验证性实验只有2个，整个教材洋溢着探究的氛围，充满探究的活力。

④在探究式实验中，不强调探究的全过程，而是侧重于探究的某一程序和某一方面，强调探究的方法。如“探究小车的速度随时间变化的规律”，强调通过探究作出速度一时间图象；“探究弹性势能的表达式”更明确指出：只需要让学生体会探究过程、学习探究方法，不要求掌握探究的结论，更不要求用弹性势能的表达式解题。

⑤所有实验随教材编排在正文中给出，突出实验在新课程中的地位和作用，让学生从“实践→理论”建立物理概念和物理规律，符合物理知识的认识过程，也有利于教学。

高中物理新教材必修课构成了以探究式实验为主线，演示实验和随堂实验、课外实验为辅线的教学实验体系。笔者根据科研课题对新教材中的探究式实验做了初步研究，现将6个探究式实验的特点、探究方案作初步分析，并根据实验室现有实验器材提出可行性的操作方案，供广大教师在使用新教材中参考。

一、探究小车速度随时间的变化规律（必修1）

实验分析此实验的预备实验是“用打点计时器测速度”（必修1，第一章第四节，旧教材中是“练习使用打点计时器”）。在用打点计时器测速度实验中（如图1a），测E点的瞬时速度时，并没有直接测包含E点在内的对称时间段的平均速度，而是选择包含E点在内左边较短时间段D点，右边较长的时间段G点内的平均速度来近似表示E点的即时速度。图1b中选择了距E点较近的D点和F点，测量E、F间的平均速度来代替E点的即时速度。笔者认为：编者主要想体现一种极限的思想，因为这条纸带不一定作匀变速直线运动，所以也可以近似用DG的平均速度来表示DG内任一点的瞬时速度。但最后又强调，应根据实际情况选择这两个点，实际上就是在E点附近很短距离的平均速度即E点的瞬时速度。

图1

在探究小车的速度变化规律时，不是通过表格中数据说明，而是用描点作图作出小车的v-t图像，形象直观地反应了小车运动速度随时间变化的规律，为后面研究匀变速直线运动规律作了准备。在“问题与练习”中编者更是别具匠心，将小车运动所得纸带每隔0.1s剪断，得到若干短纸条，再把这些纸条并排贴在一张纸上，使这些纸条下端对齐，作为时间坐标轴，标出时间，最后将纸条上端中心连起来，就可以表示物体的速度v随时间t的变化规律（简称“粘贴法”，如图2）。这个地方处理得相当巧妙，一是体现极限微元的思维；二是体现速度的物理意义：速度是描述物体运动快慢的物理量，可以相等时间比较位移，也可以相等位移比较时间。当然在任意相等时间内通过的位移可以表示物体的运动快慢。为以后研究动量守恒定律，以及动量守恒定律的应用之一“人船模型”以及在设计一些与速度有关的实验中都有较多的应用。教材是先给出加速度的概念，然后通过实验探究得出匀变速直线运动的图象，再通过图象得出匀变速直线运动的规律，充分体现了新课程对“探究”的重视。

图2

教法建议本实验的核心问题是通过实验得出v-t图，建议按教材计算瞬时速度的方法，或“问题与练习”中的“粘贴法”（有条件的可用“做一做”中用计算机绘出v-t图），作出v-t图，再进行研究得出匀变速直线运动的速度公式和位移公式。另外，笔者在研究物体的瞬时速度时有一个方法：利用电火花计时器或打点计时器。如图3a，先调节轨道或木板的倾角，直到轻推小车使小车恰好做匀速直线运动（可目测或打点判定），然后用小桶带动小车运动。在小桶的下面放一个可以调节高度的凳子，让小车运动一段距离后小桶接触凳子，从小桶接触凳子那一刻起，小车所受合力为零即做匀速直线运动，描出的轨迹如图3b。小车将从A点开始做匀速直线运动，因为A点以后等间距，可以用AC的平均速度表示A点的瞬时速度。换另外纸带改变凳子的高度（或用手接触小车），则可以得出不同点的平均速度。这种方法测瞬时速度体现了科学推理的思想，学生更容易理解。

二、探究自由落体运动特点并测定重物下落的加速度（必修1）

实验分析教材中的“实验”要求用打点计时器（或电火花计时器）测量重物下落的加速度（如图4）直接得出结论。最后有一节专门阐述伽利略在研究自由落体运动是一个什么性质的运动的研究历程，强调伽利略的科学思想方法——把实验和逻辑推理（包括数学推演）和谐结合，对学生的科学思想教育和激发学生学习物理的兴趣都有很好的作用。

图3

图4

教法建议将测定重物下落的加速度改为一节探究式实验教学课。自由落体运动是高中物理中一个非常重要的运动模型，用电火花计时器或打点计时器来探究自由落体运动的规律是很方便的。探究活动可分成这样三个层次：

第一个层次是定义自由落体运动。人们通常认为重的物体下落快，轻的物体下落慢，如果将一个轻的物体和重的物体连接在一起，结果是什么呢？再用两张相同的纸（其中一张捏成团），二者从同一高度同时释放，将会看见什么样的现象？进而演示毛钱管实验，会得到什么样的结果？得出自由落体运动的定义。

第二个层次是认识自由落体运动的性质。利用电火花计时器描出物体自由落体运动的纸带。根据处理纸带的方法，测量出连续的、相等时间段内的位移差，用判断△s是否是一个定值来判断自由落体运动是否是一个匀变速直线运动。

第三个层次是再根据求出物体下落的加速度值，和实际的重力加速度比较。笔者所做的实验误差只有5%。左右，测出成都地区的重力加速度值为9.790m/。最后可以课外让学生完成“做一做”的两个实验“测定反应时间”和“用自由落体研究傻瓜相机的曝光时间”来巩固所学的知识。

这节课可以全程探究，逻辑性极强，一步步深入引导学生探究，从而得出自由落体运动的性质和运动规律，同时也测出了重力加速度，体现了探究式实验的重要方法和主要程序。

三、探究加速度与力和质量的关系（必修1）

实验分析教材中没有给出具体方案，而是建议用图象法或比例法解决加速度与力和质量的关系的探究问题，重在如何得到图象。教材中的“参考案例”采用旧教材演示实验装置。

操作建议方案一：根据教材用比例法（实验中需用控制变量法、垫板法）全程探究加速度与合外力以及加速度与质量的关系时，参照现行教材将演示实验变为探究式实验，侧重于猜想和假设、制订计划和设计探究方案。

方案二：笔者根据教学实践，利用轨道小车和电火花计时器让学生通过探究来理解加速度与合力的关系。

此实验需要解决三个难点：一是如何测加速度 a；二是如何测量合力∑F；三是如何保证小车在合力作用下作匀变速直线运动。解决方法：由于摩擦力始终存在，所以利用斜面上运动的物体的下滑力来平衡摩擦力，这样不管小车的质量是多大，都能做匀速直线运动（即垫板法）；加速度a的测量根据公式计算；合外力的计算只能先告诉学生当时，可以近似认为合力∑F=mg，至于为什么？可以待讲了牛顿第二定律的应用后再说明，实际上合力，装置如图5所示。

图5

在研究加速度与合外力关系时，通过改变小桶中砝码的质量来改变合外力的大小，打出不同的纸带，计算出不同的合外力作用下的加速度大小，作出对应的a-∑F图象分析。

在研究加速度与质量关系时，通过在小车上添加不同质量的砝码而改变小车的质量大小，打出不同的纸带，计算出不同质量时的加速度大小，作出对应的a-M和图象分析，思考为什么要作图象？

此探究式实验的技巧和注意事项：一是，此时的∑F≈mg；二是作出图象，通过图象是直线来确定a与M成反比；三是垫板法为什么可以很好地平衡摩擦力的大小。

在探究完毕以后，还可以引导学生进一步理解如果作出来的a-F图象是图6的任一种情况时，分析产生的原因。

图6

此种方法在探究的过程中，能让学生熟练地掌握处理纸带的方法，能真正体验如何利用电火花计时器来研究一维运动问题，可以收到很好的教学效果。

四、探究弹性势能的表达式（必修2）

实验分析教材的研究思想是将弹簧微元化，把每一微元弹力所做的功对应的弹性势能加起来，从而得到弹性势能的表达式，作出F-△x图。教材重点是让学生体验探究过程，明确弹力做功与弹性势能变化的关系。

教法建议选择劲度系数很小的橡皮筋或弹簧，便于测量长度的变化量。通过探究作出F-△x图象，并根据图象的意义来理解弹力所做的功，进而理解弹性势能的大小与什么因素有关。

五、探究功与物体速度变化的关系（必修2）

实验分析教材中强调利用身边的简易器材（橡皮筋、小车、纸带）来做实验，特别是通过实验作出W-v、等图象，进而分析研究物理现象和物理规律。在后面“做一做”中处理实验数据时用 EXCEL软件处理，作出的图象是W-v的图象。笔者认为此实验方案虽然简单，但是橡皮筋绳对小车的作用力是变力，建议在理解恒力所做功与物体速度的变化关系后再做。

教法建议建议用以下方案之一进行探究。

方案一：利用电火花计时器，打出一条物体作自由落体运动的纸带，选择1、2两点的距离约为 2mm的纸带进行研究，用天平称出物体的质量并计算出重力的大小，根据测量匀变速直线运动的速度的方法计算出各点的速度，找出重物开始下落的点，探究重力所做的功W-v、的关系，并通过作出相应的图象来得出它们之间的关系。

方案二：用电火花计时器（或打点计时器）进行探究，用垫板法克服摩擦力，此时的合外力不是小桶的重力，而是，利用纸带记录的时空信息，研究合外力所做的功∑F·s与速度变化的关系（从开始计时）。

六、探究平抛运动的规律（必修2）

实验分析此探究式实验的难点是如何显示平抛运动的轨迹。教材中采用了多种方案：其中“实验”只能是定性地认为平抛运动和相同高度的自由落体运动的时间是相等的；“参考案例1”所用的器材很简单，而且水作平抛运动可以维持相当长的一段时间（如图7a），但如果要将轨迹描在纸上是很困难的，纸容易被淋湿；“案例2”利用实验室中的斜面小槽做此实验，可以描出平抛运动的轨迹，小球在复写纸上的点迹较大。如图7b；“案例3”用数码相机或数码摄像机可记录平抛运动的轨迹，器材和操作有一定的困难。后面的“问题与练习”体现了利用直角坐标描出的平抛运动的轨迹，是对学生更高层次的要求，理解有一定难度。