探究加速度與力、質量關系的創新實驗

關健波

(云南省昆明市第十四中學 650106)

一、“ 探究加速度與力、質量的關系”實驗產生問題的原因

圖1

傳統實驗裝置如圖1所示，高中學生對傳統的方案，有關近似法的理解有一定困難，其原因是，教材中提供的傳統方案因實驗原理不完善而造成了系統誤差.

(1)實驗中用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力(實際上小車受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力).設繩子拉力為F，小車質量為M，小盤和砝碼的總質量為m.

對小車：F=Ma

對小盤和砝碼：mg-F=ma

(2)小車在木板上運動時必然會受到摩擦力的作用，所以要平衡摩擦力.在平衡摩擦力時，可把有打點計時器的那一端木板適當抬高，給小車一個初速度，若車子能勻速下滑，則小車所受的摩擦力和其重力沿斜面向下的分力平衡，平衡摩擦時，很容易造成誤差.

二、“探究加速度與力、質量的關系”實驗改進的方案及其論證

如圖2所示的裝置探究加速度與質量的關系.實驗器材有氣墊導軌、滑塊(總質量為m，左端裝有遮光板)、光電門(配接數字計時器)、米尺、鐵架臺.

圖2

為了和第三章相互作用順利的對接，我采用了用重力沿斜面向下的分力來充當小車的合力，設斜面的長度為L，斜面疊高了h，得：

①

即：m和L不變時，F合與h成正比

用光電門間接求出小車的加速度，若小車靜止釋放的位置到光電門的距離x,擋光片的寬度為D,擋光時間為t，則小車的加速度可以表示為：

②

實驗選取高度依次為5cm、10cm、15cm、20cm、25cm進行實驗測得時間數據如下表.

h510152025t0.00730.00520.00430.00370.00321/t218765.243698.2552798.3173046.0297656.25

h0101530t0.00590.00440.0031/t2028727.3865269.35111111.11

三、探究加速度與力、質量的關系”實驗改進方案的優點

(1)本實驗裝置通過氣墊導軌消除摩擦力的影響，避免因為平衡摩擦力引起的誤差；

(2)本實驗裝置的設計思想是根據前一章最后一節內容《力的分解》的知識而設計的，根據學生的思維能力，學生很容易想到用滑塊重力沿線面向下的分力來充當滑塊的合力，并且這個合力是恒定的，不會出現系統誤差.

(4)光滑斜面是高中物理中最常用的物理模型之一，通過本實驗裝置讓學生感受與光滑斜面最相近的物理模型，學生通過對氣墊斜面模型的實踐操作，對建構物理模型有較大的促進作用，也能為學習牛頓運動定理內容的做好鋪墊.

(5)本實驗裝置還可以從恒力做功和變力做功的角度來探究合力做功和速度的關系(與人教版必修二教材中實驗方案相比本實驗裝置更全面，本實驗裝置可以從恒力做功和變力做功的兩個角度來探究)；同樣本實驗裝置也可用來驗證機械能守恒(運用伽利略的思想從斜面到豎直，本實驗從豎直到斜面，更加全面的補充了機械能守恒的普遍性實驗).