物理的“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的探究實(shí)踐

摘 要：在高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，要不斷學(xué)習(xí)總結(jié)，養(yǎng)成良好的物理習(xí)慣，掌握合理的學(xué)習(xí)方法，加強(qiáng)對(duì)一系列物理實(shí)驗(yàn)的有效探究，提高自身實(shí)驗(yàn)操作能力，進(jìn)而方可收獲理想的物理學(xué)習(xí)效果。在此背景下，本文通過(guò)從平衡滑動(dòng)摩擦力、小車質(zhì)量M與小盤質(zhì)量m的關(guān)系、利用圖像法處理及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等角度對(duì)物理的“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)展開(kāi)探討。

關(guān)鍵詞：“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”;牛頓第二定律;摩擦力

引言：物理學(xué)作為一門以觀察、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，由此決定了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)在中學(xué)物理學(xué)習(xí)中的重要性。綜合分析高考實(shí)驗(yàn)題，不難發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)題重點(diǎn)考察的是我們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解水平。所以在物理實(shí)驗(yàn)探究中，我們應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)處理等的有效學(xué)習(xí)，以加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的深入理解，要明確實(shí)驗(yàn)原理是物理實(shí)驗(yàn)的重中之重?！凹铀俣扰c力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)是高中物理《牛頓第二定律》中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，作為學(xué)生的我們，應(yīng)當(dāng)明確對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，即為：其一，學(xué)習(xí)掌握加速度與力、力量的關(guān)系的合理性和必要性;其二，學(xué)習(xí)掌握實(shí)驗(yàn)思路的合理性，及圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性;其三，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作及測(cè)量過(guò)程，憑借圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)程，掌握調(diào)節(jié)摩擦阻力、縮減系統(tǒng)誤差的操作方法;等等[1]?！凹铀俣扰c力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)不僅蘊(yùn)含了豐富的物理實(shí)驗(yàn)思想及方法，還有助于培養(yǎng)我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、科學(xué)態(tài)度。因而，對(duì)物理的“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究實(shí)踐，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.平衡滑動(dòng)摩擦力

平衡摩擦力是影響“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)誤差的一項(xiàng)重要因素。自理論層面而言，小車下滑力所需平衡的摩擦力涵蓋有小車與木板之間的摩擦力和紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦力，其中，紙帶與電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦力同時(shí)形成于紙帶與限位孔之間及紙帶與振針之間;紙帶與火花計(jì)時(shí)器之間的摩擦力知識(shí)形成于紙帶與限位孔之間。然而，在具體實(shí)驗(yàn)操作中，可對(duì)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦力予以忽略，原因在于：其一，實(shí)驗(yàn)中僅僅為一次性調(diào)整木板的傾斜角度，也就是mgsinα=μmgcosα，該種平衡并不受小車質(zhì)量的影響，因而調(diào)整小車質(zhì)量便不需要再另外調(diào)節(jié)角度。然而倘若計(jì)算紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦力，木板的傾斜角度便會(huì)伴隨小車質(zhì)量的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。其二，調(diào)節(jié)木板傾斜角度，從而使小車勻速運(yùn)動(dòng)，這一條件較為苛刻。具體實(shí)驗(yàn)操作中通常難以實(shí)現(xiàn)，均會(huì)由于傾斜角度太小或者太大而造成圖像不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)。其三，因?yàn)閷?shí)際實(shí)驗(yàn)裝置穩(wěn)定性有限，在不斷的實(shí)驗(yàn)操作中，極易出現(xiàn)墊片與模板相對(duì)位置發(fā)生轉(zhuǎn)變的情況。所以，將木板一端墊起合理的高度，將紙帶及瑪法予以撤去，輕推小車，觀察小車做緩慢勻速運(yùn)動(dòng)與否，是較為理想、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)操作方法[2]。

2.小車質(zhì)量M與小盤質(zhì)量m的關(guān)系

首先，針對(duì)“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)條件必須滿足m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M的問(wèn)題。通過(guò)平衡滑動(dòng)摩擦力后，F(xiàn)拉便是小車受到的合外力。如何計(jì)算F拉，并確保其維持不變便是實(shí)驗(yàn)操作的又一大重點(diǎn)。一般而言，是引入跨過(guò)定滑輪細(xì)線懸掛的小盤的重力mg趨近于代替F拉，也就是F拉≈mg.如此一來(lái)，要如何創(chuàng)造該種趨近于代替的條件呢？

如圖1所示，小車M與小盤m在實(shí)驗(yàn)操作中形成連接體，因而結(jié)合牛頓第二定律而言，可得出F拉=Ma及mg-F拉=Ma，結(jié)合以上公式F拉=Ma及mg-F拉=Ma，進(jìn)一步可得出F拉=M·mg/（M+m）=mg/（1+m/M）

圖1

其次，是否探究每一個(gè)“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)均需要滿足m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M的條件。顯然答案是否定的，倘若小車受到的拉力值可精確測(cè)量出，則無(wú)需滿足m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M這一條件。好比，通過(guò)將一個(gè)力傳感器裝置于小車上，便可利用計(jì)算機(jī)精確測(cè)量出拉力值，而不再受到m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M該條件的制約。又好比，可借助如圖2所示的操作，將一端裝置有定滑輪的木板固定于水平桌面上，另一端專職打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，平衡滑動(dòng)摩擦力后，再選取繞過(guò)定滑輪、動(dòng)滑輪的細(xì)線使小車與彈簧測(cè)力計(jì)實(shí)現(xiàn)連接，動(dòng)滑輪下方懸掛有質(zhì)量可變化的小重物，將穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶與小車進(jìn)行連接，接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，放開(kāi)小車，對(duì)滑輪質(zhì)量及滑輪摩擦均予以忽略不計(jì)，則彈簧測(cè)力計(jì)的顯示數(shù)值便是繩子的拉力，這個(gè)過(guò)程中同樣無(wú)需滿足m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M的條件。

圖2

3.利用圖像法處理及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)控制變量法，反復(fù)改變m或M，可逐一獲取4～5組數(shù)據(jù)，再對(duì)應(yīng)繪制a-F圖、a-1/M圖。如圖3所示，結(jié)合牛頓第二定律F=ma可得出，a與F呈正相關(guān)關(guān)系，因而理論上而言a-F圖像應(yīng)當(dāng)是過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線。不過(guò)，在F偏大時(shí)，圖像卻會(huì)出現(xiàn)彎曲情況。

圖3

結(jié)合以上公式F拉=Ma及mg-F拉=Ma，可得出小車實(shí)際加速度：a=mg/（M+m），倘若其中M保持不變，在m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于M時(shí)，則F拉=M·mg/（M+m）=Mg/（1+m/M）

如圖4所示，a-F圖像存在橫軸截距，換而言之，在F拉偏小時(shí)，小車依舊保持靜止，F(xiàn)拉滿足相應(yīng)條件時(shí)小車方可運(yùn)行。所以，截距的存在時(shí)由于未能平衡摩擦力。在小車運(yùn)動(dòng)后，再依據(jù)牛頓第二定律分析的得出，F(xiàn)-F滑=Ma，也就是a=1/M·（F-F滑）.由此可得出，圖4的斜率意味著小車質(zhì)量的倒數(shù)，橫軸截距反映的是滑動(dòng)摩擦力大小，縱軸截距反映的是由滑動(dòng)摩擦力對(duì)應(yīng)形成加速度的大小。相同的，還可運(yùn)用上述方法對(duì)a-1/M圖像彎曲原因進(jìn)行探究解析。

圖4

4.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在高中物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中，我們不僅要提高學(xué)習(xí)效率，消除焦躁心理，還要深入了解物理實(shí)驗(yàn)的原理、規(guī)律，奠定良好的理論基礎(chǔ)，提高對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)建立的有效重視。結(jié)合平衡滑動(dòng)摩擦力、小車質(zhì)量M與小盤質(zhì)量m的關(guān)系、利用圖像法處理及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等角度的實(shí)驗(yàn)變化，我們可有效得出不管是哪一種變化其本質(zhì)仍舊是在原本物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的優(yōu)化創(chuàng)新，不論是哪一個(gè)角度均離不開(kāi)原本實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容。結(jié)合本文對(duì)“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的梳理過(guò)程，高中物理實(shí)驗(yàn)并非不可戰(zhàn)勝，只要我們不斷總結(jié)，不斷探索，明確物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的方向，做到舉一反三，梳理物理學(xué)習(xí)的有效信心，便可真正意義上提高我們對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)質(zhì)量、學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]毛中峰.高中物理探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)探究精神——從《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》培養(yǎng)科學(xué)探究精神[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2012，11（02）：254-254.

[2]朱崇軍.“探究性實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中應(yīng)注意的三個(gè)策略——以《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》為例[J].湖南中學(xué)物理，2014，11（04）：162-163.

[3]蔣天林.理解原理精彩變化提升能力——“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)題的拓展變化[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016，09（11）：116-120.

作者簡(jiǎn)介：李雨軒（2000.11——），女，漢族，河南周口人，焦作十一中學(xué)高三（五）班學(xué)生，研究方向：物理