“探究加速度與力、質量的關系”實驗的改進

楊振宇

(安徽省阜陽市第五中學，安徽 阜陽 236000)

1 引言

探究“加速度與力、質量的關系”是人教版高中物理必修1第四章第二節內容，本節是在牛頓第一定律之后、牛頓第二定律之前的一節實驗探究課，在課本中起到承上啟下的作用。在本節課之前，學生已經學習了牛頓第一定律，知道了力與慣性的概念，學生對加速度與力、質量的關系產生了認知需求。為了讓學生深刻理解牛頓第二定律，學生通過實驗，定量探究加速度與力、質量的關系非常關鍵。牛頓第二定律是牛頓力學的核心，貫穿整個高中物理的學習，所以做好該實驗非常必要。

作為高中最重要的實驗之一，課本中的實驗方法較為繁瑣，導致學生分組實驗耗時較長，實驗結果不盡如人意。不少老師由于上課時間緊張，往往采用視頻展示來取代學生實驗，使得學生缺少動手操作的機會，為高中物理教學留下遺憾。隨著科學技術的發展，物理實驗儀器也在朝著精確、方便和先進的方向發展。為了能提高實驗精度，簡化實驗操作，提高實驗教學效率，讓學生真正感受到物理實驗的魅力，本文對實驗做了幾點改進，實驗效果較好。

2 課本實驗方案及其存在的問題

關于“探究加速度與力、質量的關系”實驗，課本提供了兩種實驗方案。

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，各用一條細繩將一端連接，把細線繞過定滑輪，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

可是利用該方案進行實驗時，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，增加了數據測量的不確定性，也增加了實驗的偶然誤差。

2.2 方案二

圖3

3 實驗改進方案

3.1 實驗原理

改進后實驗裝置如圖4所示，實驗中使用氣墊導軌，避免了摩擦力給實驗帶來的影響。在氣墊導軌上安裝兩個光電門，通過測量經過每個光電門的時間和兩個光電門時間間隔，利用數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 實驗步驟

(1) 探究加速度與力的關系

① 用天平測出滑塊質量；

② 調節氣墊導軌水平；

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

(2) 探究加速度與質量的關系

① 保證鉤碼的質量不變，改變滑塊的質量，用天平測出鉤碼和滑塊的總質量。

② 通過用光電門和數字計時器得到滑塊加速度。

3.3 實驗數據記錄和處理

(1) 實驗數據記錄

保持滑塊質量不變時，滑塊加速度與合外力的關系如表1所示。

表1

保持系統所受合外力不變，加速度與質量的關系如表2所示。

表2

(2) 實驗數據處理

實驗中采用Excel軟件對實驗數據進行處理，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 實驗結論

利用Excel軟件擬合的圖像，可得出結論：質量一定時，加速度與力成正比；拉力一定時，加速度與質量成反比。改進后實驗操作更加方便快捷，實驗精度更高，實驗結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量和質量倒數的關系，不僅有助于幫助學生更好地理解為什么要作加速度與質量的倒數的圖像，更有利于培養學生利用計算機處理數據的能力。

4 結語

隨著科學技術的發展，信息技術在教學中的應用已經成為常態，越來越多的學校建設了數字化實驗室，對傳感器和計算機的使用更加頻繁，為了能跟上科技發展的步伐，需要對傳統的實驗進行改進，引導學生對課本上的物理實驗進行嘗試和思考，激發學生研究物理的熱情，培養學生創新能力和探究能力。