探究“加速度與力、質量的關系”實驗創新

陳智慧 葉晴瑩 蘇超 葉麗萍 吳志明 陳水源

摘? ?要：實驗是將理論知識應用于實際情境的有效途徑。通過實驗，學生可以將抽象的理論知識與實際現象相結合，加深對知識的理解和應用能力。文章從創新實驗入手，對教材中“探究加速度與力、質量的關系”實驗進行了改造，以幫助學生更好地理解這三個物理量之間的關系。并將創新實驗融入了物理教學，培養學生的科學探究能力，進一步提高學生的物理核心素養。

關鍵詞：高中物理；創新實驗；加速度；力；質量

1? 教材實驗的解析

必修一“探究加速度與物體受力、物體質量的關系”實驗是高中物理必做實驗之一。此外，《普通高中物理課程標準》在學業要求方面進一步提出，學生要學會使用基本的力學實驗器材、分析處理實驗數據，并能根據相關物理圖像描述實驗數據，能根據實驗現象和數據得出正確的實驗結論[ 1 ]。學生還需具備以下關鍵能力：科學實驗探究問題的能力、制定合理的實驗方案的能力以及控制變量的意識和誤差分析意識。

為幫助學生理解加速度與力，質量關系的概念，達到課標要求，不同教材中對小車加速度與力、質量關系的實驗探究方案有不同的處理。如表 1教材實驗分析所示。

通過以上分析發現不同版本教材對實驗的描述都不同，粵教版和魯科版用到了數字化實驗器材，在探究過程中可以直接得出加速度的大小，使實驗數據更精確，但是學生可進行自主探究的范圍小。其他版本教材能夠得出較準確的實驗數據，驗證實驗猜想得出實驗結論，但是存在實驗現象不夠明顯，數據處理略顯繁瑣，摩擦力所產生的系統誤差較難以克服等困難。

六個版本新教材均采用懸吊鉤碼來提供對小車的拉力，定滑輪連接減小摩擦力對實驗的影響，并強調當鉤碼質量遠小于小車質量時，則認為鉤碼重力與小車所受合力近似相等。但是，教材中未進一步說明為什么“鉤碼質量需要遠小于小車質量”，而這往往是學生最大的疑惑點[ 2 ]。為解決上述問題，使學生更好地理解此探究實驗，筆者在教材傳統實驗的基礎上，自制了創新實驗裝置。

2? 自制實驗裝置介紹

在分析表1的基礎上，設計了圖1所示的實驗裝置圖。該裝置可實現如下探究。

2.1? 探究加速度與力的關系

如圖1所示，在兩個傾角不同的斜面上分別放置兩質量m相同的小車。通過改變斜面的傾角，使小車在沿斜面方向上所受合力F=mgsinθ-μmgcosθ不同。

在相同時間內，小車受到不同的力，加速度a也有所區別。由于最初小車靜止在斜面上，而相同時間內兩小車的位移變化量x=■at2可測，因此可通過觀察相同時間內，兩小車運動的位移大小得到兩小車加速度大小的關系。根據F=ma，從而探究質量一定時，加速度a與力F的關系。

2.2? 探究加速度與質量的關系

如圖1，兩小車內可加不同質量的砝碼，為了保證小車在運動時，受到沿斜面方向上的力F=mgsinθ-μmgcosθ相同，可以通過調整斜面角度控制。根據兩小車的位移變化量x=■at2，測得x，根據F=ma，即可探究力一定時，加速度a與質量m的關系。

3? 自制實驗裝置的優點、注意事項

3.1? 自制實驗裝置的優點

該實驗與教材上的傳統實驗有很大的區別，最明顯的區別是此實驗采取了對照實驗法。左右兩小車在運動過程中形成對照，使學生可以明顯觀察到兩小車運動的快慢，即速度的大小。并且學生既能通過肉眼判斷物體加速度的大小，又能用物理量之間的關系計算加速度理論值，還可以利用光電門直接讀出加速度的實際值。這三種比較加速度大小的方法，有利于引導學生將實驗數據的理論值和實際值進行對比，提高學生的誤差分析能力，培養學生嚴謹認真，實事求是的科學態度。

引入該創新實驗，可給學生帶來顯著的視覺體驗。學生能直觀地感受到小車加速度的變化，通過實時觀察和記錄加速度與力、質量之間的關系，進一步對牛頓第二定律公式進行推導，加深對牛頓第二定律公式的理解。這種視覺化的數據呈現方式可以增強學生對實驗結果的理解和記憶，并激發他們的探究興趣。此實驗方案是對傳統實驗方案的創新突破，針對傳統實驗中存在的相關問題，從研究對象、測量手段、實驗原理3個方面對實驗方案進行了改進和優化[ 3 ]。

3.2? 注意事項

（1）探究加速度與質量的關系時，在調整角度使小車受到同等大小力的過程中，其對角度的計算可利用數學軟件來完成。角度大小的調整則可以通過手機軟件phyphox來完成。

（2）此實驗可通過光電門直接讀出加速度實際值的大小，而加速度的理論值需要學生根據已有力學知識來計算，計算過程需要教師引導學生通過實驗目的來設計表格，把測得的數據經過計算填在表中，以此來分析加速度與力、質量之間的關系。

（3）為比較同一時刻兩物體運動的快慢，可以在軌道上利用電磁鐵開關控制小車的運動初始時刻。通電磁開關吸引小車，使其靜止在斜面上，斷電后兩小車同時開始運動，以此實現兩個小車從靜止到運動的初始時刻相同，從而通過比較物體運動的距離判斷物體運動的加速度。

4? 總結

研究從幾個不同版本教材入手，將實驗進行了對比分析，在傳統實驗的基礎上，引入了創新實驗，此創新實驗的核心思想在于通過設計更具可觀性和探究性的實驗環節，增加學生對加速度與力、質量關系的深入理解。本文優化了實驗步驟，在實驗中，引入了新的實驗器材和測量工具，以增加實驗的準確性，并鼓勵學生用多種角度和方法解釋實驗現象。

創新性實驗能夠促使學生靈活運用先前學過的物理知識，來解決新的物理問題。在日常作業訓練中，以創新性實驗題的方式對學生進行考察，還能夠培養學生主動建構知識和解決復雜問題的能力，并進一步激發他們在學習中的積極性和求知欲望。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

［2］ 呂艷坤.“探究加速度與力、質量的關系”實驗方案的述評與改進[J].物理教學探討，2023，41（3）：45-47，51.

［3］ 汪小明.創新實驗方案 培育學科素養：探究加速度與力、質量的關系實驗方案的改進[J].物理教師，2019，40（12）：46-49.