“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

楊振宇

(安徽省阜陽市第五中學(xué)，安徽 阜陽 236000)

1 引言

探究“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”是人教版高中物理必修1第四章第二節(jié)內(nèi)容，本節(jié)是在牛頓第一定律之后、牛頓第二定律之前的一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，在課本中起到承上啟下的作用。在本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了牛頓第一定律，知道了力與慣性的概念，學(xué)生對加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系產(chǎn)生了認(rèn)知需求。為了讓學(xué)生深刻理解牛頓第二定律，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，定量探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系非常關(guān)鍵。牛頓第二定律是牛頓力學(xué)的核心，貫穿整個高中物理的學(xué)習(xí)，所以做好該實(shí)驗(yàn)非常必要。

作為高中最重要的實(shí)驗(yàn)之一，課本中的實(shí)驗(yàn)方法較為繁瑣，導(dǎo)致學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)耗時較長，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡如人意。不少老師由于上課時間緊張，往往采用視頻展示來取代學(xué)生實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生缺少動手操作的機(jī)會，為高中物理教學(xué)留下遺憾。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)儀器也在朝著精確、方便和先進(jìn)的方向發(fā)展。為了能提高實(shí)驗(yàn)精度，簡化實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，讓學(xué)生真正感受到物理實(shí)驗(yàn)的魅力，本文對實(shí)驗(yàn)做了幾點(diǎn)改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)效果較好。

2 課本實(shí)驗(yàn)方案及其存在的問題

關(guān)于“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，課本提供了兩種實(shí)驗(yàn)方案。

2.1 方案一

如圖1所示，將兩個相同的小車放在光滑的水平木板上，各用一條細(xì)繩將一端連接，把細(xì)線繞過定滑輪，另一端與可放鉤碼的小盤連接，小盤和鉤碼的重力提供小車做加速運(yùn)動的合外力，通過增減鉤碼，改變小車受到的外力。

圖1

圖2

可是利用該方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，利用黑板擦很難控制兩車同時停下來，這就難以保證兩車運(yùn)動的時間相同，另外小車的位移測量也不是很方便，因此利用此方案，增加了數(shù)據(jù)測量的不確定性，也增加了實(shí)驗(yàn)的偶然誤差。

2.2 方案二

圖3

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，實(shí)驗(yàn)中使用氣墊導(dǎo)軌，避免了摩擦力給實(shí)驗(yàn)帶來的影響。在氣墊導(dǎo)軌上安裝兩個光電門，通過測量經(jīng)過每個光電門的時間和兩個光電門時間間隔，利用數(shù)字計時器測量滑塊加速度功能，可以得到滑塊的加速度。在滑塊上安裝了力傳感器，可以直接測量滑塊受到的拉力。在氣墊導(dǎo)軌上摩擦力可以忽略不計的情況下，滑塊受到的合力就等于滑塊受到的拉力。

圖4

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 探究加速度與力的關(guān)系

① 用天平測出滑塊質(zhì)量；

② 調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平；

③ 改變鉤碼的質(zhì)量以改變合外力，利用力傳感器得到拉力的大小，通過用光電門和數(shù)字計時器測出物塊加速度。

(2) 探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系

① 保證鉤碼的質(zhì)量不變，改變滑塊的質(zhì)量，用天平測出鉤碼和滑塊的總質(zhì)量。

② 通過用光電門和數(shù)字計時器得到滑塊加速度。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理

(1) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

保持滑塊質(zhì)量不變時，滑塊加速度與合外力的關(guān)系如表1所示。

表1

保持系統(tǒng)所受合外力不變，加速度與質(zhì)量的關(guān)系如表2所示。

表2

(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中采用Excel軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以直接擬合出a-F圖像(如圖5)、a-(M+m)圖像(如圖6)和a-1/(M+m)圖像(如圖7)。

圖5

圖6

圖7

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

利用Excel軟件擬合的圖像，可得出結(jié)論：質(zhì)量一定時，加速度與力成正比；拉力一定時，加速度與質(zhì)量成反比。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)操作更加方便快捷，實(shí)驗(yàn)精度更高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論符合得非常好。通過作圖利用Excel軟件比較加速度與質(zhì)量和質(zhì)量倒數(shù)的關(guān)系，不僅有助于幫助學(xué)生更好地理解為什么要作加速度與質(zhì)量的倒數(shù)的圖像，更有利于培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)成為常態(tài)，越來越多的學(xué)校建設(shè)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，對傳感器和計算機(jī)的使用更加頻繁，為了能跟上科技發(fā)展的步伐，需要對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生對課本上的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行嘗試和思考，激發(fā)學(xué)生研究物理的熱情，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和探究能力。