“探究加速度與力、質量的關系”實驗的探究

魏永先

(南陽市第二實驗高中;宛東中專,河南唐河 473400)

現用普通高中課程標準實驗教科書《物理》必修1(人教版)第4章第2節實驗“探究加速度與力、質量的關系”中,關于怎樣測量(或比較)物體的加速度時提到:在這個實驗中也可以不測量加速度的具體數值,測量不同情況下(即不同受力時,不同質量時)物體加速度的比值就可以了.怎樣測量加速度的比值呢?本教材中又提到這樣一種方案:如果測出兩個初速度為零的勻加速直線運動在相同時間內發生的位移 x1、x2,由公式知位移之比就等于加速度之比.即

筆者認為:該方案作為一個課堂演示實驗,還不夠直觀、方便,因為實驗中得用米尺測量位移的大小,講臺下邊,特別是教室后邊的學生是看不清米尺的刻度的,只有靠教師介紹了,這將會降低該演示實驗的效果.為此,這里介紹另一種探究的方案,可供課堂演示實驗使用.具體過程如下.

如果測出兩個初速度為零的勻加速直線運動在相同位移內所用時間 t1、t2,由公式知 :計算出 t12、t22就可知道加速度之比了,即

那么,時間又如何測量呢?教材第1章中已介紹過氣墊導軌和數字計時器,這里就利用氣墊導軌和數字計時器來測量時間,其實驗裝置如圖1所示.

圖1

所用器材:(1)一端帶有定滑輪的氣墊導軌1臺,(2)滑塊1個,(3)光電門 2個,(4)J0201-1數字計時器 1臺,(5)氣源1臺,砝碼若干.

1.保持小盤及其里邊的砝碼質量不變,即拉力不變,改變滑塊的質量,測滑塊運動時間.

實驗時,數字計時器功能開關置S2,時間單位選擇開關置“10”位置;調整氣墊導軌使其處于水平狀態,讓一條細繩一端系在滑塊上,另一端跨過定滑輪掛一小盤(盤中可以放砝碼,小盤和其中的砝碼所受重力等于使滑塊做勻加速直線運動的力),使兩光電門保持一定距離;讓滑塊上的遮光片靠近光電門Ⅰ并處于靜止狀態,然后放開滑塊,待滑塊通過光電門Ⅱ后,記下數字計時器上的示數,即為滑塊的運動時間 t1,用天平測出滑塊的質量 m1;改變滑塊的質量為m2,保持兩光電門的位置不變,重做上述實驗,記下滑塊的運動時間t2.計算出的比值,即可知道的比值了.計算出的比值,就可以比較與的關系了.

2.保持滑塊質量不變,改變小盤質量(即改變拉力的大小),重復上述方法,讀出時間 t1和 t2,計算出的比值,即為的比值,就可以比較加速度a與力F之間的關系了.

表1為筆者所做的實驗數據,兩光電門間的距離為50 cm.

表1

由表1可知,第1次和第2次實驗中拉力一定,滑塊運動時間平方之比為即.滑塊質量之比為所以.結論:滑塊拉力一定,在誤差允許范圍內加速度與質量成反比.

.結論:滑塊質量一定時,在誤差允許范圍內加速度與拉力成正比.

由于該方案中不需要測位移,而是讀出數字計時器上的時間,便于測量,操作也方便,數字計時器的熒光屏上的數字醒目、即使坐在教室后邊的學生也能看得清楚,所以,該方案比教材中介紹的測位移的方案要更直觀、更準確、更方便、更能增強課堂演示實驗的效果.