物理實(shí)驗教學(xué)的創(chuàng )新研究——以《實(shí)驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的改進(jìn)為例

■河南省實(shí)驗中學(xué) 王若冰

探究加速度與力、 質(zhì)量的關(guān)系是一個(gè)重要的探究實(shí)驗， 也是高考考查頻次很高的實(shí)驗之一。

傳統實(shí)驗方案要求實(shí)驗條件需滿(mǎn)足m＜＜M，以減小系統誤差，若不做改進(jìn)，則該誤差只能減小而不能消除。

牛頓第二定律是在大量實(shí)驗事實(shí)的基礎上總結出來(lái)的規律。

它是牛頓力學(xué)的核心內容之一， 指出了物體加速度的決定因素。

要探究加速度與外力、 質(zhì)量之間的關(guān)系，就要設法測出物體的質(zhì)量、所受外力、加速度的大小。物體質(zhì)量的測量比較簡(jiǎn)單，而加速度和外力的測量則比較困難， 這是因為研究對象做變速運動(dòng)的過(guò)程中， 測量加速度和力的大小是非常不易的。

現在將“探究加速度與力、 質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗的四種可行性方案總結如下。

實(shí)驗裝置如圖1 所示。

利用打出的紙帶上的數據可以算出小車(chē)在運動(dòng)過(guò)程中的加速度大小， 而小車(chē)受到的合外力在一定的條件下等于砝碼盤(pán)和砝碼（或沙桶和沙）的總重力。

圖1

實(shí)驗裝置如圖2 所示， 通過(guò)比較兩個(gè)小車(chē)運動(dòng)的位移， 得到兩個(gè)小車(chē)的加速度之比。

這個(gè)實(shí)驗成功的關(guān)鍵是保證兩個(gè)小車(chē)同時(shí)開(kāi)始運動(dòng)、同時(shí)停止運動(dòng)。

圖2

這種方法比較粗略，但過(guò)程簡(jiǎn)單，也算是方案一的改進(jìn)型。困難在“用夾子很難保證兩個(gè)小車(chē)同時(shí)停止運動(dòng)”，為此可將用比較法測量加速度的裝置改為如圖3 所示。

圖3

改變課本上原有左右并列裝置， 使它具有兩個(gè)分別置于經(jīng)支架在豎直方向上平行架起的一對上下軌道上的演示小車(chē)，以易于控制， 在小車(chē)運動(dòng)的木板側面標上刻度，便于直接讀數。

有條件的學(xué)?？衫脠D4 所示裝置測量滑塊的加速度。

該裝置需氣墊導軌、氣源、光電門(mén)傳感器、數字計時(shí)器等，是測量加速度比較精密的裝置。

圖4

（1）把數字計時(shí)器接通電源，依次安裝好光電門(mén)，打開(kāi)氣源開(kāi)關(guān)，把滑塊移動(dòng)至導軌上某一處，調節軌道水平，用手啟動(dòng)滑塊，使其以一定的速度運動(dòng)，保證滑塊在通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)時(shí)的速度誤差小于3%即可。

（2）將滑塊兩端分別連接上掛鉤，把一根細線(xiàn)系在砝碼桶上，讓細線(xiàn)一端跨過(guò)滑輪上的方孔，而滑塊恰恰可以從靠近滑輪一側的光電門(mén)處通過(guò)，選擇數字計時(shí)器上相應的功能測量加速度的大小。

（3）當滑塊質(zhì)量一定時(shí)，分析研究加速度與外力之間的變化關(guān)系：保持不變滑塊質(zhì)量M，依次改變力F 4 次，每一次力被改變， 滑塊定要從同一位置由靜止釋放，連續測量加速度4 次，并記錄下每次所獲得的加速度的值，根據數據在坐標紙上作出a-F 圖像是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)， 由圖可知a與F 成正比。

（4）當外力F 一定時(shí)，分析研究加速度和質(zhì)量之間的變化關(guān)系：外力F 為一定值，依次改變滑塊的質(zhì)量M 4 次，每一次質(zhì)量改變，都要使滑塊從相同的位置由靜止釋放，連續測量加速度4 次，將每次加速度的值記錄下來(lái)，根據數據在坐標紙上作出a-1/M 圖像是經(jīng)原點(diǎn)的直線(xiàn)，由圖可知a 與M 成反比。

把靜力傳感器固定在小車(chē)上，用繩子直接拉著(zhù)傳感器，直接測出繩子拉力的大小，不需考慮失重造成的影響，用位移傳感器直接測出加速度的大小。

利用電子計算機、傳感器等數字化實(shí)驗儀器設備進(jìn)行實(shí)驗探究，獲得的實(shí)驗數據更具客觀(guān)性，避免了傳統模式下因人為估讀等因素造成的偶然誤差。

（1）把位移傳感器固定在軌道的一端，調節軌道水平， 把細繩的一端綁在小車(chē)上，另一端跨過(guò)定滑輪掛一個(gè)小桶，將位移傳感器連接到數據采集器第一通道，并與計算機相連，打開(kāi)Edislab 軟件。

（2）探究加速度與拉力的關(guān)系，得到的a-F 圖像是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)， 說(shuō)明a 與F成正比。

（3）探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，得到的a-1/M 圖像是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，說(shuō)明a 與M 成反比。

以上四種實(shí)驗方案的比較：方案一測量加速度的計算比較麻煩，誤差較大。

方案二比較粗略，過(guò)程簡(jiǎn)單，現象較為明顯，目前在高中教學(xué)中被普遍使用。

方案三測量加速度的數據相對精確，但氣墊導軌及相關(guān)器材較精密昂貴，測量加速度需要進(jìn)行一定的計算。

方案四用位移傳感器直接測出加速度的大小，避免了煩瑣耗時(shí)的實(shí)驗數據處理和因使用傳統實(shí)驗儀器人為估讀造成的偶然誤差，圖像也由計算機作出，使學(xué)生有更充足的時(shí)間專(zhuān)注于體驗設計實(shí)驗方案、探究實(shí)驗思想和實(shí)施實(shí)驗過(guò)程。

推薦有條件的學(xué)校采用第四種方案進(jìn)行實(shí)驗。

通過(guò)對創(chuàng )新實(shí)驗方案與傳統實(shí)驗方案的對比，我們可以發(fā)現實(shí)驗的精確度有較大的提升， 實(shí)驗數據的處理更簡(jiǎn)單快捷。

因此，我們在物理實(shí)驗教學(xué)中，要緊扣實(shí)驗目的，多從實(shí)驗器材、實(shí)驗方法、實(shí)驗操作過(guò)程、實(shí)驗原理等方面考慮，認真研究分析實(shí)驗中可能存在的優(yōu)缺點(diǎn)，著(zhù)重對學(xué)生過(guò)程分析能力及知識遷移能力的培養。