中学物理教学法实验指导书

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一、 前言

中学物理教学法实验是物理学师范专业的专业方向课。是在完成了普通物理实验和近代物理实验之后开设的对师范生能够顺利从事中学物理教学而设置的实验课。从实验教学本身的目的而言，不同于普通物理实验和近代物理实验。在普通物理实验和近代物理实验中，学生接受了各种现代测量仪器使用方法和各种物理量的测量方法的训练；实验中误差分析及数据处理方法的训练。这些训练足以确保学生有能力进行中学物理实验教学。那么为什么还要开设中学物理教学法实验哪？这是由中学生的认知特点以及中学物理学习过程中的特点决定的，具体原因如下：1、普通物理实验和近代物理实验中培养学生精确测量和数据处理方法，而中学物理实验，由于学生认知的发展状况，多为定性或半定量实验。这就使得中学物理教学法实验课有着不同于普通物理实验和近代物理实验的自己独特的属性，即物理实验思想的培养。2、大学生在做过普通物理实验和近代物理实验后对实验的定量精确性追求使得他们对中学物理教学法实验不屑一顾，对中学物理实验教学和中学物理教法实验的本质理解不深。3、在普通物理实验和近代物理实验中，学生的角色多为被动，很少能够独立思考，独立进行动手操作。而大学生毕业后到中学工作需要独立的思考能力和动手操作能力。

鉴于以上原理，中学物理教学法实验注重对大学生进行以下几方面能力和思维习惯的培养。1、面对中学实际进行实战能力的培养完

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成由学生角色到教师角色的转换。大学生毕业后到中学工作，一切工作都要独立完成，从实验准备到实验教学都要求大学生必须有独立思考、工作的能力。2、通过教学法实验让大学生学会从中学生的视角来对待科学探究。科学探究从来就不是一触而就的，需要从未知到模糊认识再到清楚认知问题所再到初步建立模型认知事物，最后达到清楚认识的过程。科学探究是一个艰苦卓绝的过程，绝不像应试教育课堂上教师讲课那样来得简单、来得现成。

因此，我们在教学法实验中着重学生独立工作能力的培养，从实验准备，到实验原理认识再到实验探究的整个过程让学生独立完成，从分充当主角，而实验指导教师只是充当配角作用，在试验中和学生进行适当讨论。学生遇到不会使用的仪器，不是首先通过询问教师获得帮助，而是通过阅读仪器使用说明书来学会。实验结束后，改以往完成实验报告为学生还要写出实验教学的教案，促使学生尽快转换角色。因而本课程对学生成绩的评价包括实验准备、实验设计过程、实验结果、教案完成质量等多方面全面进行。

因此，本指导书的实际指导价值实际上很小，仅供学生部分参考。本实验指导书的写法，也与以往实验指导书有所不同。有不正之处，敬请指正。

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实验一：牛顿第二定律的验证

【实验目的】

1. 熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的调整方法。 2. 熟悉用光电测量系统测量短时间的方法。 3. 验证牛顿第二定律。 【实验仪器】

气垫导轨、气源、存贮式数字毫秒计、砝码、砝码盘、细线 【实验原理】

设一物体的质量为M，运动的加速度为a，所受的合外力为F，则按牛顿第二定律有如下关系：

F?ma （1） 此定律分两步验证：

（1）验证物体质量M一定时，所获得的加速度a与所受的合外力F成正比。

（2）验证物体所受合外力F一定时，物体运动的质量M与加速度a成反比。

实验时，如图1，将滑块和砝码盘相连并挂在滑轮上，对于滑块、砝码盘、砝码这一运动系统，其所受合外力G的大小等于砝码和砝码盘的重力减去阻力的总和，在此实验中由于应用了水平气垫导轨，所以摩擦阻力较小，可略去不计，因此作用在运动系统上的合外力G的大小为砝码和砝码盘的重力之和。

图1 验证牛顿第二定律系统

因此按牛顿第二定律：

G?(m0?n2m2)g?Ma?[m0?m1?(n1?n2)m2]a （2）

其中砝码盘的质量为m0，加在砝码盘中砝码的质量为n2m2（每个砝码的质量为m2，共加了n2个），滑块的质量为m1，加在滑块上砝码的质

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量为n1m2（共加了n1个）。则运动系统的总质量M为上述各部分质量之和。

从(2)式看，由于各部分质量均可精确测量，因此只需精确测量出加速度a即可验证牛顿第二定律。

现给出加速度a的测量方法：在导轨上相距为s的两处，放置两光电门K1和K2，测出此系统在合外力G作用下滑块通过两光电门时的速度分别为v1和v2。则系统的加速度a等于

2v2?v12a?2s （3）

因此，问题简化为测量出滑块通过两光电门时的速度，滑块的速度按以下原理测量：挡光片的形状如图2所示，把挡光片固定在滑块上，挡光片两次挡光的前缘11'和22'之间的距离为?x。当滑块通过光电门时，第一次挡光开始计时，第二次挡光停止计时，挡光片两次挡光的时间间隔为?t，可由数字毫秒计测出。则滑块经过光电门的速度为：

v??x?t （3）

图2 挡光片示意图

?x越小，则测出的运动速度越接近滑块在该处的瞬时速度，?x一般很小，约取1cm左右。

分别测出挡光片通过两光电门的时间间隔?t1和?t2，则得滑块的加

速度a，

(?x)2a?2s?11???22?(?t)(?t)1?2? （4）

【实验内容与步骤】

（一） 验证物体质量M一定时，所获得的加速度a与所受的合外力F成正比。

1． 数字毫秒计采用光控输入插座连接两个光电门，检查光电门，

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按数字毫秒计面板上的【功能】键选择用S2挡，测量挡光框对任意一个光电门的挡光间隔时间。

2． 给气垫导轨通气，调整导轨的底脚螺丝使导轨水平。检验是否水平的方法，是看滑块自由运动时经过两光电门的时间是否相等（相对差别应小于1%），如相等，则说明滑块作匀速直线运动，导轨是水平的。

3． 用游标卡尺测量挡光框上两前沿间的距离△x，用米尺测出两光电门的距离s，一般导轨上附有标尺，可直接读出s。

4． 把系有砝码盘的细线通过气垫导轨定滑轮与滑块（滑块上至少加三个砝码）相连，再将滑块移至远离定滑轮的一端，松手后滑块便从静止开始作匀加速直线运动。 5． 重复步骤4三次，每次从滑块上将一个砝码移至砝码盘中（每个砝码的质量m2为5.00g），分别记下滑块挡光片通过两个光电门的时间间隔△t1、△t2，以及砝码盘和加在砝码盘上砝码的总质量（m0＋n2m2）。将测量结果填入表3－1。

6． 由式（4）计算加速度的数值，求出各加速度a之后作出G－a关系图，纵轴G表示砝码和砝码盘的总重量G，横轴表示加速度a。所作的图线应是一直线，求出所得图线的斜率，并将其和运动系统总的质量M作比较，理论上二者应相等，如在实验误差范围内，则验证了物体的质量M不变时，物体的加速度a与所受合外力F成正比。

（二）验证物体所受合外力F一定时，物体运动的质量M与其加速度a成反比。

1、2、3、步骤同上。

4．把系有砝码盘的细线通过气垫导轨定滑轮与滑块相连，再将滑块移至远 离定滑轮的一端，松手后滑块便从静止开始作匀加速直线运动。

5． 保持砝码盘与砝码盘中砝码的总质量不变，重复步骤4两次，每次给滑块加砝码10.00g，分别记下滑块挡光片通过两个光电门的时间间隔△t1和△t2，将测量结果填入表2。

6． 由（4）式计算加速度的数值a1、a2，并计算M1a1、M2a2（其中M1、M2分别表示对应于a1、a2时运动系统的总质量），如果二者相等或者它们的差异未超出实验容许的范围，则可以认为合外力G一定时，运动系统的质量M与其加速度a在误差范围内是成反比的。

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