用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新

溫 敏

（廣東省開平市忠源紀(jì)念中學(xué)，廣東 江門 529300）

1 教材參考案例：用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫紙、一端帶定滑輪的長(zhǎng)木板、低壓交流電源、細(xì)繩、木塊、鉤碼、重物、導(dǎo)線、天平、夾子、刻度尺.

1.2 實(shí)驗(yàn)操作

（1）平衡阻力：如圖1所示，取下鉤碼，將木板上安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端慢慢墊高，輕推小車，直至紙帶上打出的點(diǎn)距離基本相等，有Mgsinθ=f+mg.

圖1 平衡小車阻力示意圖

（2）如圖2所示，掛上鉤碼，將小車由靜止釋放，小車和鉤碼一起做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，并打出紙帶.小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，有mg=（m+M）a，則小車受的拉力當(dāng)M?m時(shí)，有F≈mg，即拉力大小近似等于鉤碼的重力.

圖2 小車加速運(yùn)動(dòng)受力示意圖

（3）保持小車質(zhì)量不變，通過改變鉤碼的個(gè)數(shù)可以成倍地改變小車所受的拉力，選擇較理想的紙帶，利用Δx=a T2及逐差法求a，作出a F的關(guān)系圖，根據(jù)圖像得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論；保持小車受的拉力不變，通過增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量，選擇較理想的紙帶，利用Δx=a T2及逐差法求a，作出的關(guān)系圖，根據(jù)圖像得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最后總結(jié)a與F、M的關(guān)系.

1.3 實(shí)驗(yàn)不足之處

（1）實(shí)驗(yàn)須平衡阻力.

（2）鉤碼的質(zhì)量要遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，即m?M.

2 實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新

下面的實(shí)驗(yàn)通過對(duì)阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新，使實(shí)驗(yàn)原理得以改進(jìn)與創(chuàng)新.

2.1 實(shí)驗(yàn)1：利用參考案例的實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)器材

在參考案例的實(shí)驗(yàn)器材基礎(chǔ)上，在長(zhǎng)木板底部安裝一塊海綿（緩沖作用）.

2.1.2 實(shí)驗(yàn)操作

（1）平衡系統(tǒng)：掛上鉤碼，將木板上安裝滑輪的一端慢慢墊高，輕推小車，直至紙帶上打出的點(diǎn)距離基本相等為止.小車受力如圖3所示，有mgsinθ=f′+mg.

圖3

（2）剪斷細(xì)線，小車由靜止開始沿著長(zhǎng)木板向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，并打出紙帶.小車受力如圖4所示，小車所受的拉力F=Mgsinθ-f′=f′+mg-f′=mg，則有F=mg，小車所受的拉力大小等于鉤碼的重力.

圖4

2.1.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新之處

實(shí)驗(yàn)時(shí)，鉤碼的質(zhì)量無須遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，小車所受拉力的大小等于鉤碼的重力.

2.2 實(shí)驗(yàn)2：利用力傳感器改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)器材

在參考案例的實(shí)驗(yàn)器材基礎(chǔ)上，增加一個(gè)力傳感器.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)操作

先取下細(xì)繩和鉤碼，把長(zhǎng)木板左側(cè)適當(dāng)墊高，平衡阻力.如圖5所示，掛上鉤碼，將小車由靜止釋放，小車在拉力F作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，拉力由力傳感器讀出，然后按參考案例的實(shí)驗(yàn)操作（3）進(jìn)行操作，作出的關(guān)系圖，總結(jié)a與F、M的關(guān)系.

圖5

2.2.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新點(diǎn)之處

（1）小車所受的拉力由力傳感器測(cè)量.

（2）鉤碼的質(zhì)量無須遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，也無須測(cè)鉤碼的質(zhì)量.

2.3 實(shí)驗(yàn)3：利用彈簧測(cè)力計(jì)改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)器材

在參考案例的實(shí)驗(yàn)器材基礎(chǔ)上，增加輕滑輪、彈簧測(cè)力計(jì).

2.3.2 實(shí)驗(yàn)操作

先取下細(xì)繩，將長(zhǎng)木板的左側(cè)適當(dāng)墊高，平衡阻力.如圖6所示，掛上鉤碼，將小車由靜止釋放，小車在拉力F作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，拉力由彈簧測(cè)力計(jì)讀出，然后按參考案例的實(shí)驗(yàn)操作（3）進(jìn)行操作，作出的關(guān)系圖，總結(jié)a與F、M的關(guān)系.

圖6

2.3.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新之處

（1）小車所受的拉力由彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量.為了更準(zhǔn)確地測(cè)拉力，可用力傳感器取代彈簧測(cè)力計(jì).

（2）鉤碼的質(zhì)量無須遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，也無須測(cè)鉤碼的質(zhì)量.

2.4 實(shí)驗(yàn)4：利用光電門和彈簧測(cè)力計(jì)改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2.4.1 實(shí)驗(yàn)器材

小車、遮光片、光電門（2個(gè)）、游標(biāo)卡尺、鉤碼、刻度尺、一端帶定滑輪的木板、輕繩、輕滑輪、彈簧測(cè)力計(jì)、木塊.

2.4.2 實(shí)驗(yàn)操作

取下細(xì)繩，將長(zhǎng)木板的左側(cè)適當(dāng)墊高，平衡阻力.如圖7所示，將小車由靜止釋放，小車在拉力F的作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，先后通過光電門A、B，用刻度尺測(cè)出A、B的距離為L(zhǎng)，與光電門連接的數(shù)字計(jì)數(shù)器可以測(cè)量小車經(jīng)過光電門A、B所用的時(shí)間分別為tA、tB.小車受的拉力由彈簧測(cè)力計(jì)讀出，用游標(biāo)卡尺測(cè)遮光片的寬度d，小車經(jīng)過A、B時(shí)的速度分別為vA、vB，則有由得，然后按參考案例的實(shí)驗(yàn)操作（3）進(jìn)行操作，作出的關(guān)系圖，總結(jié)a與F、M的關(guān)系.

圖7 應(yīng)用光電門與測(cè)力計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

2.4.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新之處

（1）改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)原理，用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，遮光片結(jié)合光電門測(cè)得滑塊的初、末速度，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出加速度.

（2）小車所受的拉力由彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量，為了更準(zhǔn)確測(cè)拉力，可用力傳感器取代彈簧測(cè)力計(jì).

（3）鉤碼的質(zhì)量無須遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，也無須測(cè)鉤碼的質(zhì)量.

2.5 實(shí)驗(yàn)5：利用光電門、力傳感器和氣墊導(dǎo)軌改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2.5.1 實(shí)驗(yàn)器材

鉤碼、力傳感器、帶刻度尺的氣墊導(dǎo)軌、光電門、遮光片、滑塊、游標(biāo)卡尺.

2.5.2 實(shí)驗(yàn)操作

將帶遮光片的滑塊由靜止釋放，小車在拉力F作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，與光電門連接的數(shù)字計(jì)數(shù)器可以測(cè)量小車經(jīng)過光電門所用的時(shí)間t.如圖8所示，小車受的拉力由力傳感器測(cè)出，從刻度尺讀出滑塊的位移L，用游標(biāo)卡尺測(cè)遮光片的寬度d，小車經(jīng)過光電門時(shí)速度，由v2=2a L得即然后按參考案例的實(shí)驗(yàn)操作（3）進(jìn)行操作，作出的關(guān)系圖，總結(jié)a與F、M的關(guān)系.

圖8 應(yīng)用光電門與氣墊導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)裝置

2.5.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新之處

（1）改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)原理，用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，遮光片結(jié)合光電門測(cè)得滑塊的末速度，在刻度尺上讀出滑塊運(yùn)動(dòng)的位移，用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求加速度.

（2）用氣墊導(dǎo)軌代替長(zhǎng)木板，無須平衡阻力.

（3）滑塊受的拉力由力傳感器測(cè)出.

（4）鉤碼的質(zhì)量無須遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量，也無須測(cè)鉤碼的質(zhì)量.

2.6 實(shí)驗(yàn)6：利用位移傳感器和力傳感器改進(jìn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

2.6.1 實(shí)驗(yàn)器材

小車、位移傳感器、力傳感器、鉤碼、一端帶定滑輪的木板、輕繩、砝碼、木塊.

2.6.2 實(shí)驗(yàn)原理

取下輕繩，再將長(zhǎng)木板的右側(cè)適當(dāng)墊高，平衡阻力.如圖9所示，將位移接收器與計(jì)算機(jī)相連，開啟位移傳感器的發(fā)射器電源，將小車由靜止釋放，小車在拉力F作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，拉力由力傳感器測(cè)出，位移傳感器測(cè)出小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t、位移為L(zhǎng)，根據(jù)得然后按參考案例的實(shí)驗(yàn)操作（3）進(jìn)行操作，作出a-F、的關(guān)系圖，總結(jié)a與F、M的關(guān)系.

圖9 應(yīng)用位移傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置

2.6.3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新之處

（1）改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)原理，用位移傳感器代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出位移，用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求加速度.

（2）用力傳感器測(cè)小車受的拉力.

（3）鉤碼的質(zhì)量無須遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量.

通過對(duì)用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)與創(chuàng)新，在改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上也創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)原理，有效地提升了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量與效果.