夯實教材實驗基礎(chǔ)，提升實驗拓展能力
——以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗為例

甘肅 田長軍

力學(xué)實驗是每年高考必考的內(nèi)容，從歷年高考力學(xué)實驗題來看，都是源于教材而高于教材的，也就是說，在教材原型實驗的基礎(chǔ)上進行了各個方向的拓展。只有夯實教材實驗基礎(chǔ)，才能提升學(xué)生的實驗拓展能力，進而培養(yǎng)和提升學(xué)生科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

一、教材原型實驗

(一)實驗?zāi)康?/h3>

1.學(xué)會利用控制變量法研究物理規(guī)律；

2.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系；

3.學(xué)會利用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)的方法。

(二)實驗原理

1.保持質(zhì)量不變，探究加速度跟合外力的關(guān)系；

2.保持合外力不變，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系；

(三)實驗器材

小車、砝碼、小盤、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺。

(四)實驗步驟

1.測量：用天平測量小盤和砝碼的總質(zhì)量m′和小車的質(zhì)量m；

2.安裝：按照如圖1所示裝置把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上(即不給小車牽引力)；

圖1

3.平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車能勻速下滑；

4.操作：

(1)小盤通過細(xì)繩繞過定滑輪系于小車上，先接通電源后放開小車，斷開電源，取下紙帶并對所打出的點編號碼；

(2)保持小車的質(zhì)量m不變，改變小盤和砝碼的總質(zhì)量m′，重復(fù)步驟(1)；

(3)在每條紙帶上選取一段點位間距均勻的部分，測加速度a；

(4)描點作圖，作a-F的圖象；

(五)注意事項

1.平衡摩擦力時，適當(dāng)墊高長木板的右端，使小車的重力沿斜面方向的分力恰好平衡小車和紙帶受到的阻力。在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上，讓小車?yán)┻^打點計時器的紙帶勻速運動；

2.實驗時，改變拉力或小車質(zhì)量后，每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車；

(六)數(shù)據(jù)處理方法

1.利用Δx=aT2及逐差法求a；

2.以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點，如果這些點在一條過原點的直線上，說明a與F成正比；

(七)對教材原型實驗拓展的幾點思考

1.本實驗的主要目的是探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，也可以通過同一套實驗裝置，稍做變動即可以驗證機械能守恒定律、測量動摩擦因數(shù)和測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，從而在實驗?zāi)康纳线M行拓展。

2.本實驗中運用圖象法和化曲為直的科學(xué)方法探究一個物理量與另一個物理量的關(guān)系，借鑒這種處理方法，可以探究其他物理量與物理量之間的關(guān)系，即可以在數(shù)據(jù)處理方法上進行拓展；

3.本實驗用到的重要器材有一端附有定滑輪的長木板和打點計時器。打點計時器在本實驗中的作用是間接測量小車的加速度，也可以利用頻閃照相、光電門計時器和力傳感器等器材來間接測量加速度，在實驗器材上進行了拓展。

二、對原型實驗的拓展

(一)實驗?zāi)康耐卣?/h3>

1.測量動摩擦因數(shù)

【例1】某同學(xué)利用圖2甲所示的裝置測定滑塊與桌面間的動摩擦因數(shù)。實驗中，鉤碼通過輕繩拉著滑塊在水平桌面上做直線運動，鉤碼著地后滑塊繼續(xù)運動，打點計時器在紙帶上打下一系列的點。取鉤碼著地后滑塊繼續(xù)運動過程中對應(yīng)的一段紙帶，用刻度尺測出紙帶部分相鄰計時點的間距如圖2乙所示。已知打點計時器所接交流電源的頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.80 m/s2。回答下列問題：

甲

乙

(1)打點時紙帶的________(填“A”或“B”)端靠近滑塊；

(2)滑塊與桌面間的動摩擦因數(shù)為________(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)；

(3)由實驗測定的動摩擦因數(shù)________(填“大于”“等于”或“小于”)真實值。

【解析】(1)滑塊先做勻加速運動，在鉤碼著地后做勻減速運動，在勻減速運動過程中，相同時間內(nèi)兩點間距離越來越小，故B端靠近滑塊。

(2)利用逐差法計算可知

(3)滑塊做勻減速運動時，除了受到桌面的摩擦力外，還受到紙帶與打點計時器間的阻力f紙，由μ真mg+f紙=ma知，μ>μ真，即測定的動摩擦因數(shù)大于真實值。

2.驗證機械能守恒定律

【例2】(原創(chuàng))某組同學(xué)設(shè)計了“探究加速度a與物體所受合外力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實驗。如圖3甲所示為實驗裝置簡圖，A為小車，B為電火花計時器，C為裝有細(xì)砂的小桶，D為一端帶有定滑輪的長方形木板。實驗結(jié)束后，某同學(xué)想用僅有的這套實驗裝置驗證機械能守恒定律。

甲

乙

(1)要用“探究加速度a與物體所受合外力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實驗裝置驗證機械能守恒定律，小車與水平面間有摩擦力，嚴(yán)格來講，機械能不守恒，要削弱因摩擦力對實驗結(jié)果的影響，應(yīng)該__________；

(2)在第(1)問的要求下，打開打點計時器電源開關(guān)，釋放小桶，打出一條紙帶，如圖3乙所示。取OB段紙帶驗證機械能守恒定律，已知OA、OB、OC的距離分別為x1、x2、x3，交流電的頻率為f，用給出的物理量寫出驗證機械能守恒定律的表達(dá)式__________。

【解析】(1)小車質(zhì)量m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小桶和細(xì)砂的總質(zhì)量M，且盡可能選擇更光滑的長木板。

【點評】教材實驗“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”，要使小車所受的拉力等于小桶和細(xì)砂的總重力，所以應(yīng)滿足的條件是小桶和細(xì)砂的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。而在本實驗中，學(xué)生一定要驗證機械能守恒，應(yīng)盡可能削弱摩擦力對實驗結(jié)果的的影響，需使小桶和細(xì)砂的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小車的質(zhì)量。

3.測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?/p>

【例3】(原創(chuàng))某同學(xué)利用如圖4所示的裝置測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，他想借助紙帶計算出小車的加速度a，用天平秤出小車的質(zhì)量為M，小桶和細(xì)砂的質(zhì)量為m。

圖4

(1)本實驗中________(填“需要”或“不需要”)平衡摩擦力。

(2)用上述給出的物理量寫出測量重力加速度的表達(dá)式__________。

【解析】(1)本實驗中不知道小車與長木板之間的摩擦力大小，故要消除摩擦力對實驗數(shù)據(jù)的影響，需要平衡摩擦力。

(二)科學(xué)思維方法和數(shù)據(jù)處理方法的拓展

1.探究動能定理

【例4】(2017年北京卷第21題)如圖5所示，用質(zhì)量為m的重物通過滑輪牽引小車，使它在長木板上運動，打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況。利用該裝置可以完成“探究動能定理”的實驗。

圖5

(1)打點計時器使用的電源是________(選填選項前的字母)。

A.直流電源 B.交流電源

(2)實驗中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確操作方法是________(選填選項前的字母)。

A.把長木板右端墊高 B.改變小車的質(zhì)量

在不掛重物且________(選填選項前的字母)的情況下，輕推一下小車。若小車拖著紙帶做勻速運動，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響。

A.計時器不打點 B.計時器打點

(3)接通電源，釋放小車，打點計時器在紙帶上打下一系列點，將打下的第一個點標(biāo)為O。在紙帶上依次取A、B、C……若干個計數(shù)點，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T，測得A、B、C……各點到O點的距離為x1、x2、x3……，如圖6所示。

圖6

實驗中，重物質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，可認(rèn)為小車所受的拉力大小為mg，從打O點到打B點的過程中，拉力對小車做的功W=________，打B點時小車的速度v=________。

(4)以v2為縱坐標(biāo)，W為橫坐標(biāo)，利用實驗數(shù)據(jù)做出如圖7所示的v2-W圖象。由此圖象可得v2隨W變化的表達(dá)式為________。根據(jù)功與能的關(guān)系，動能的表達(dá)式中可能包含v2這個因子，分析實驗結(jié)果的單位關(guān)系，與圖線斜率有關(guān)的物理量應(yīng)是________。

圖7

(5)假設(shè)已經(jīng)完全消除了摩擦力和其他阻力的影響，若重物質(zhì)量不滿足遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件，則從理論上分析，圖中正確反映v2-W關(guān)系的是________。

A

B

C

D

【解析】(1)打點計時器使用交流電源。

(2)平衡摩擦力的方法為將木板一端墊高，使得重力沿木板方向的分力與摩擦力和其他阻力平衡，使小車做勻速直線運動；判斷小車做勻速直線運動是根據(jù)紙帶上相鄰點間的距離相等判定，故需計時器打點。

(三)實驗器材拓展

1.傳感器

【例5】利用力傳感器“探究加速度與合外力的關(guān)系”的實驗裝置如圖8所示。

圖8

(1)下列關(guān)于該實驗的說法，錯誤的是________。

A.做實驗之前必須平衡摩擦力

B.小車的質(zhì)量必須比所掛鉤碼的質(zhì)量大得多

C.應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行

D.為了實驗安全，打點計時器接直流電源

(2)從實驗中挑選一條點跡清晰的紙帶，每5個點取一個計數(shù)點，用刻度尺測量計數(shù)點間的距離如圖9所示。已知打點計時器每間隔0.02 s打一個點。

圖9

從圖可知A、B兩點間的距離s1=________cm；該小車的加速度a=________m/s2(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)，實驗中紙帶的________(填“左”或“右”)端與小車相連接。

(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中作出了如圖10所示的a-F圖象。

①圖線不過坐標(biāo)原點的原因是__________。

②小車和傳感器的總質(zhì)量為________kg。

【解析】(1)做實驗之前必須平衡摩擦力，使得細(xì)線的拉力大小等于小車受到的合外力，選項A正確；由于實驗中用到了力傳感器，所以沒有必要使小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼的質(zhì)量，選項B錯誤；應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行，選項C正確；打點計時器必須用交流電源，選項D錯誤。

(3)①由圖象可知，當(dāng)F≠0時，加速度仍然為零，說明沒有平衡摩擦力，或平衡摩擦力不足。

【點評】如果用傳感器準(zhǔn)確測出力的大小，繩子的拉力無需用重物的重量來代替，也就無需平衡摩擦力。

2.光電門計時器

【例6】某同學(xué)用如圖11甲所示的實驗裝置探究加速度與力的關(guān)系。他在氣墊導(dǎo)軌旁安裝了一個光電門B，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連，力傳感器可直接測出細(xì)線中拉力大小，傳感器下方懸掛鉤碼。改變鉤碼數(shù)量，每次都從A處由靜止釋放滑塊。已知滑塊(含遮光條)總質(zhì)量為M，導(dǎo)軌上遮光條位置到光電門位置的距離為L。請回答下面相關(guān)問題。

甲

乙

(1)如圖11乙所示，實驗時用游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度為d=________cm。某次實驗中，由數(shù)字毫秒計記錄遮光條通過光電門的時間為t，由力傳感器記錄對應(yīng)的細(xì)線拉力大小為F，則滑塊運動的加速度大小應(yīng)表示為a=________(用題干已知物理量和測得物理量字母表示)。

(2)下列實驗要求中不必要的是________。

A.應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量

B.應(yīng)使遮光條位置與光電門間的距離適當(dāng)大些

C.應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)至水平

D.應(yīng)使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行

(2)拉力是直接通過傳感器測量的，故與滑塊質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無關(guān)，故選項A錯誤。應(yīng)使遮光條位置與光電門間的距離適當(dāng)大些，有利于減小誤差，故選項B正確；應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，才能使拉力等于合力，故選項C正確；要保持細(xì)線方向與氣墊導(dǎo)軌平行，拉力才等于合力，故選項D正確。本題選擇不必要的，故選A。

【點評】在探究加速度與力的關(guān)系中，安裝了光電門計時器，可以代替打點計時器間接測量小車的加速度，我們也可用頻閃照相的方法間接測量小車的加速度，實現(xiàn)了對實驗器材的拓展；若光電門計時器配套有氣墊導(dǎo)軌，則無需平衡摩擦力。

三、結(jié)語