《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

石興奇　萬(wàn)猛　王麗蓉

《牛頓第二定律》是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律，是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的重點(diǎn)和中心內(nèi)容。加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系規(guī)律——《牛頓第二定律》，需要在探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)之上總結(jié)得出，才是順理成章、水到渠成的結(jié)論。

普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理（必修1）第四章第二節(jié)——《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的實(shí)驗(yàn)方案，教科書提供了兩個(gè)參考方案：（一）用懸吊重物的方法同時(shí)拉光滑水平面上的兩個(gè)小車，用刻度尺測(cè)量?jī)蓚€(gè)小車在相同時(shí)間里通過的位移，其位移之比等于它們的加速度之比；（二）用懸吊重物的方法拉傾斜面上的一個(gè)小車，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器直接測(cè)量加速度。筆者教學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)方案是這樣設(shè)計(jì)的：將兩個(gè)光電門安裝在距離為s的水平氣墊導(dǎo)軌上，讓滑塊在恒定水平拉力作用下從其中一個(gè)光電門處由靜止出發(fā)向另一個(gè)光電門方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，用數(shù)字毫秒計(jì)時(shí)器測(cè)出滑塊在兩個(gè)光電門之間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t，再根據(jù)s=■at■即可算出滑塊的加速度；滑塊的質(zhì)量用天平稱量；滑塊所受外力的大小在誤差范圍內(nèi)近似等于拖動(dòng)滑塊的“小重物”重力的大小（條件是“小重物”的質(zhì)量要比滑塊的質(zhì)量小很多）。

其具體操作分為三步：

一、控制物體（滑塊）的質(zhì)量不變（M=0.60kg），探究加速度與力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表：

1.作出與F的函數(shù)圖像；

2.學(xué)生歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在物體質(zhì)量一定時(shí)，物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比。

二、控制物體（滑塊）所受的外力不變（F=0.10N），探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表：

1.作出相應(yīng)的函數(shù)圖像；

2.學(xué)生歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在物體受到的作用力一定時(shí)，物體加速度的大小跟它的質(zhì)量成反比。

三、由學(xué)生根據(jù)一、二的結(jié)論歸納得出物體加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系：物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的質(zhì)量成反比。

實(shí)驗(yàn)方案反思：

教材提供的方案（一）中的“光滑水平面上”是一種理想化的模型，本實(shí)驗(yàn)方案用水平氣墊導(dǎo)軌等效替代光滑水平面，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)技術(shù)革新，創(chuàng)造條件把實(shí)際問題模型化的一次科學(xué)觀、模型觀的思想教育。

該實(shí)驗(yàn)方案的系統(tǒng)誤差主要源于實(shí)驗(yàn)條件的控制。控制條件一：氣墊導(dǎo)軌的水平調(diào)節(jié)；控制條件二：“小重物”的質(zhì)量要比滑塊的質(zhì)量小很多（一般要求滑塊的質(zhì)量比“小重物”的質(zhì)量至少大十倍以上）。

用該實(shí)驗(yàn)方案教學(xué)《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》，在絕大多數(shù)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該具備所需的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)，定量效果好。其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和函數(shù)圖像的描繪，若由計(jì)算機(jī)輔助完成則會(huì)收到事半功倍的效果，從而提高課堂教學(xué)的有效性。

基金項(xiàng)目：遵義師范學(xué)院基礎(chǔ)教育課題基金資助項(xiàng)目（2013ZYJ065）。