“探究加速度与力、质量的关系”实验的探究

魏永先

(南阳市第二实验高中;宛东中专,河南唐河 473400)

现用普通高中课程标准实验教科书《物理》必修1(人教版)第4章第2节实验“探究加速度与力、质量的关系”中,关于怎样测量(或比较)物体的加速度时提到:在这个实验中也可以不测量加速度的具体数值,测量不同情况下(即不同受力时,不同质量时)物体加速度的比值就可以了.怎样测量加速度的比值呢?本教材中又提到这样一种方案:如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同时间内发生的位移 x1、x2,由公式知位移之比就等于加速度之比.即

笔者认为:该方案作为一个课堂演示实验,还不够直观、方便,因为实验中得用米尺测量位移的大小,讲台下边,特别是教室后边的学生是看不清米尺的刻度的,只有靠教师介绍了,这将会降低该演示实验的效果.为此,这里介绍另一种探究的方案,可供课堂演示实验使用.具体过程如下.

如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同位移内所用时间 t1、t2,由公式知 :计算出 t12、t22就可知道加速度之比了,即

那么,时间又如何测量呢?教材第1章中已介绍过气垫导轨和数字计时器,这里就利用气垫导轨和数字计时器来测量时间,其实验装置如图1所示.

图1

所用器材:(1)一端带有定滑轮的气垫导轨1台,(2)滑块1个,(3)光电门 2个,(4)J0201-1数字计时器 1台,(5)气源1台,砝码若干.

1.保持小盘及其里边的砝码质量不变,即拉力不变,改变滑块的质量,测滑块运动时间.

实验时,数字计时器功能开关置S2,时间单位选择开关置“10”位置;调整气垫导轨使其处于水平状态,让一条细绳一端系在滑块上,另一端跨过定滑轮挂一小盘(盘中可以放砝码,小盘和其中的砝码所受重力等于使滑块做匀加速直线运动的力),使两光电门保持一定距离;让滑块上的遮光片靠近光电门Ⅰ并处于静止状态,然后放开滑块,待滑块通过光电门Ⅱ后,记下数字计时器上的示数,即为滑块的运动时间 t1,用天平测出滑块的质量 m1;改变滑块的质量为m2,保持两光电门的位置不变,重做上述实验,记下滑块的运动时间t2.计算出的比值,即可知道的比值了.计算出的比值,就可以比较与的关系了.

2.保持滑块质量不变,改变小盘质量(即改变拉力的大小),重复上述方法,读出时间 t1和 t2,计算出的比值,即为的比值,就可以比较加速度a与力F之间的关系了.

表1为笔者所做的实验数据,两光电门间的距离为50 cm.

表1

由表1可知,第1次和第2次实验中拉力一定,滑块运动时间平方之比为即.滑块质量之比为所以.结论:滑块拉力一定,在误差允许范围内加速度与质量成反比.

.结论:滑块质量一定时,在误差允许范围内加速度与拉力成正比.

由于该方案中不需要测位移,而是读出数字计时器上的时间,便于测量,操作也方便,数字计时器的荧光屏上的数字醒目、即使坐在教室后边的学生也能看得清楚,所以,该方案比教材中介绍的测位移的方案要更直观、更准确、更方便、更能增强课堂演示实验的效果.