利用传感器探究加速度与力、质量的关系

利用传感器仪器探究加速度与力、质量的关系四川省绵阳中学张为敏一、使用教材（1）版本及册次：教科版必修第一册第四章第二节《探究加速度与力、质量的关系》。（2）年级：高一。（3）课程名称：利用传感器仪器探究加速度与力、质量的关系。二、实验器材（1）教材原始实验器材：电火花打点计时器、纸带、小车、轨道、电子天平、钩码、刻度尺、细线、白纸、笔；（如图1）图1教材原始实验器材创新实验器材：气垫导轨和滑块、无线拉力传感器、智能手机、电子天平、笔记本电脑、钩码、细线、白纸、笔。（如图2）图2创新实验器材三、实验改进与创新（1）改进：1）用气垫导轨代替小车轨道；2）合力测量采用无线拉力传感器。（2）创新：加速度的测量用智能手机内置传感器。四、实验原理/实验设计思路基于教科书，首先提出探究加速度与力、质量三者定量关系的必要性，然后引导学生就实验思路的设计、相关物理量的测量、实验过程与数据收集以及数据处理与分析等方面完成对加速度与力的关系和加速度与质量的关系的探究。然后师生共同交流实验中遇到的问题和解决办法，尝试实验中遇到的问题可以做的改进和创新。五、实验教学目标（一）物理观念初步形成运动与相互作用观，能将其应用于理解力与运动的定量关系问题。（二）科学思维会用控制变量法、图像法等方法进行实验并处理数据，能够从实验数据中分析出加速度与力、物体质量的关系。（三）科学探究经历探究加速度与力、质量关系的实验方案设计过程，能够依照物理事实结合逻辑推理运用图像等方法去确立物理量之间的关系，发展依据证据、运用逻辑和现有知识进行科学论证和解释的能力.（四）科学态度与责任用生活中的物品做物理实验，加强物理知识与生活的联系，激发学生对于探究的兴趣和求知欲，同时在实验中体会探究过程的科学性和严谨性，培养合作意识。六、实验教学内容（1）探究力一定时，物体加速度与物体质量的定量关系。（2）探究物体质量一定时，物体加速度与力的定量关系。七、实验教学过程实验方案设计（5min）问题1：加速度的影响因素有力和质量，实验中选用什么方法进行探究？控制变量法问题2：根据实验目的，思考应当构建一个怎样的物体运动过程？在这个过程中需要测量哪些物理量？加速度：打点计时器和纸带；质量：电子天平；合力：钩码重力。问题3：小车所受合力等于钩码重力吗？不等于，存在摩擦力。问题4：能否平衡掉摩擦力呢？如何操作？阻力补偿法：将轨道一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡，直到纸带上打出间隔均匀的点。（如图3）图3平衡摩擦力所用纸带问题5：平衡摩擦力后小车所受合力等于钩码重力吗？如果不等于的话，在什么条件下可以近似等于呢？（学生加以思考）实验条件：只有在小车质量远大于钩码质量时，钩码重力才能近似等于小车合力。分组实验（10min）分组探究、分工合作：将学生分成6人小组，进行实验。（如图4）图4学生分组实验实验数据处理与分析（10min）问题6：为了直观地反映所获得数据之间的关系，选用方法？图像法（如图5、图6）图5质量一定时加速度与力的图像图6力一定时加速度与质量的图像问题7：根据图像猜测，加速度与质量的关系可能如何？猜测力一定时，加速度可能与质量成反比，作出加速度与质量倒数的图像。（如图7）图7力一定时加速度与质量倒数的图像结论：质量一定时，小车加速度与所受合力成正比；质量一定时，小车加速度与所受合力成正比。交流与评价（8min）问题8：通过实验数据分析实验中存在什么问题？（图像5、7中的纵截距说明了什么？）平衡摩擦力过程用时长且较为粗略实验结果图像纵截距表明：此次实验平衡摩擦力过度向学生介绍气垫导轨：为了尽量减小摩擦力的影响，我们可以用气垫导轨进行实验装置的改进。（如图8）图8气垫导轨（2）问题9：实验存在着怎样的系统误差？如何改进？钩码重力实际不等于滑块所受合力向学生介绍无线力传感器（如图9）图9无线力传感器向学生介绍一款手机内置加速度传感器的app：phyphox。考虑尝试将手机用于实验器材进行加速度的测量（如图10）图10phyphox界面实验改进与创新设计（12min）实验装置的改进：气垫导轨代替小车轨道；合力测量：无线拉力传感器物理量测量方法的创新：加速度测量：手机app内的phyphox软件（3）学生学习并尝试进行创新实验（如图11）图11学生进行创新实验数据处理（如图12）图12创新实验数据结论:质量一定时，物体加速度与所受合力成正比；合力一定时，物体加速度与质量成反比。交流讨论1）在所挂钩码保持不变时，改变小车质量时，拉力一定恒定吗？学生再次实验并认真分析比较拉力传感器记录的数据，发现拉力值有微小差异2）难以严格控制变量拉力恒定，如何在已有探究结果基础上补充探究？补充探究：加速度与F/m的关系（如图13）图13加速度与F/m的图像从教材原始实验数据（如图14）中讨论将钩码重力作为滑块合力造成的误差图14教材原始实验数据钩码重力实际不等于滑块所受合力，除第五组数据外，数据整体表现的规律：悬挂钩码重力越大，小车质量越小，将钩码重力当作小车合力造成的误差越大（5）手机内置传感器app可以测生活中的加速度.（如图15）图15乘坐电梯过程中利用手机传感器记录的数据实验效果评价本实验在学生真实完成教材原实验的基础上，注重了探究的开放性，基于对问题的讨论，引导学生不断发现和解决问题，通过这种体验提高学生使用多种方法和手段分析、处理信息的能力、基于实验数据结合逻辑推理得出结论的能力、对探究过程和结果进行交流、评估与反思的能力，发展了学生的科学探究能力。（2）通过引入数字化实验