探究“加速度与力、质量的关系”实验创新

陈智慧 叶晴莹 苏超 叶丽萍 吴志明 陈水源

摘   要：实验是将理论知识应用于实际情境的有效途径。通过实验，学生可以将抽象的理论知识与实际现象相结合，加深对知识的理解和应用能力。文章从创新实验入手，对教材中“探究加速度与力、质量的关系”实验进行了改造，以帮助学生更好地理解这三个物理量之间的关系。并将创新实验融入了物理教学，培养学生的科学探究能力，进一步提高学生的物理核心素养。

关键词：高中物理；创新实验；加速度；力；质量

1  教材实验的解析

必修一“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验是高中物理必做实验之一。此外，《普通高中物理课程标准》在学业要求方面进一步提出，学生要学会使用基本的力学实验器材、分析处理实验数据，并能根据相关物理图像描述实验数据，能根据实验现象和数据得出正确的实验结论[ 1 ]。学生还需具备以下关键能力：科学实验探究问题的能力、制定合理的实验方案的能力以及控制变量的意识和误差分析意识。

为帮助学生理解加速度与力，质量关系的概念，达到课标要求，不同教材中对小车加速度与力、质量关系的实验探究方案有不同的处理。如表 1教材实验分析所示。

通过以上分析发现不同版本教材对实验的描述都不同，粤教版和鲁科版用到了数字化实验器材，在探究过程中可以直接得出加速度的大小，使实验数据更精确，但是学生可进行自主探究的范围小。其他版本教材能够得出较准确的实验数据，验证实验猜想得出实验结论，但是存在实验现象不够明显，数据处理略显繁琐，摩擦力所产生的系统误差较难以克服等困难。

六个版本新教材均采用悬吊钩码来提供对小车的拉力，定滑轮连接减小摩擦力对实验的影响，并强调当钩码质量远小于小车质量时，则认为钩码重力与小车所受合力近似相等。但是，教材中未进一步说明为什么“钩码质量需要远小于小车质量”，而这往往是学生最大的疑惑点[ 2 ]。为解决上述问题，使学生更好地理解此探究实验，笔者在教材传统实验的基础上，自制了创新实验装置。

2  自制实验装置介绍

在分析表1的基础上，设计了图1所示的实验装置图。该装置可实现如下探究。

2.1  探究加速度与力的关系

如图1所示，在两个倾角不同的斜面上分别放置两质量m相同的小车。通过改变斜面的倾角，使小车在沿斜面方向上所受合力F=mgsinθ-μmgcosθ不同。

在相同时间内，小车受到不同的力，加速度a也有所区别。由于最初小车静止在斜面上，而相同时间内两小车的位移变化量x=■at2可测，因此可通过观察相同时间内，两小车运动的位移大小得到两小车加速度大小的关系。根据F=ma，从而探究质量一定时，加速度a与力F的关系。

2.2  探究加速度与质量的关系

如图1，两小车内可加不同质量的砝码，为了保证小车在运动时，受到沿斜面方向上的力F=mgsinθ-μmgcosθ相同，可以通过调整斜面角度控制。根据两小车的位移变化量x=■at2，测得x，根据F=ma，即可探究力一定时，加速度a与质量m的关系。

3  自制实验装置的优点、注意事项

3.1  自制实验装置的优点

该实验与教材上的传统实验有很大的区别，最明显的区别是此实验采取了对照实验法。左右两小车在运动过程中形成对照，使学生可以明显观察到两小车运动的快慢，即速度的大小。并且学生既能通过肉眼判断物体加速度的大小，又能用物理量之间的关系计算加速度理论值，还可以利用光电门直接读出加速度的实际值。这三种比较加速度大小的方法，有利于引导学生将实验数据的理论值和实际值进行对比，提高学生的误差分析能力，培养学生严谨认真，实事求是的科学态度。

引入该创新实验，可给学生带来显著的视觉体验。学生能直观地感受到小车加速度的变化，通过实时观察和记录加速度与力、质量之间的关系，进一步对牛顿第二定律公式进行推导，加深对牛顿第二定律公式的理解。这种视觉化的数据呈现方式可以增强学生对实验结果的理解和记忆，并激发他们的探究兴趣。此实验方案是对传统实验方案的创新突破，针对传统实验中存在的相关问题，从研究对象、测量手段、实验原理3个方面对实验方案进行了改进和优化[ 3 ]。

3.2  注意事项

（1）探究加速度與质量的关系时，在调整角度使小车受到同等大小力的过程中，其对角度的计算可利用数学软件来完成。角度大小的调整则可以通过手机软件phyphox来完成。

（2）此实验可通过光电门直接读出加速度实际值的大小，而加速度的理论值需要学生根据已有力学知识来计算，计算过程需要教师引导学生通过实验目的来设计表格，把测得的数据经过计算填在表中，以此来分析加速度与力、质量之间的关系。

（3）为比较同一时刻两物体运动的快慢，可以在轨道上利用电磁铁开关控制小车的运动初始时刻。通电磁开关吸引小车，使其静止在斜面上，断电后两小车同时开始运动，以此实现两个小车从静止到运动的初始时刻相同，从而通过比较物体运动的距离判断物体运动的加速度。

4  总结

研究从几个不同版本教材入手，将实验进行了对比分析，在传统实验的基础上，引入了创新实验，此创新实验的核心思想在于通过设计更具可观性和探究性的实验环节，增加学生对加速度与力、质量关系的深入理解。本文优化了实验步骤，在实验中，引入了新的实验器材和测量工具，以增加实验的准确性，并鼓励学生用多种角度和方法解释实验现象。

创新性实验能够促使学生灵活运用先前学过的物理知识，来解决新的物理问题。在日常作业训练中，以创新性实验题的方式对学生进行考察，还能够培养学生主动建构知识和解决复杂问题的能力，并进一步激发他们在学习中的积极性和求知欲望。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

［2］ 吕艳坤.“探究加速度与力、质量的关系”实验方案的述评与改进[J].物理教学探讨，2023，41（3）：45-47，51.

［3］ 汪小明.创新实验方案 培育学科素养：探究加速度与力、质量的关系实验方案的改进[J].物理教师，2019，40（12）：46-49.