追本溯源 透过现象找本质——谈需要与不需要

侍 跃

(江苏省灌云高级中学 222220)

探究性实验是以有待探究的问题为中心，按实验方案设计、实验操作和数据处理三个模块解决中心问题.在高中物理实验“探究加速度与力、质量的关系”中，问题解决对应模块是：一是恒力的提供与测量、加速度的测量，二是实验操作，三是实验数据的处理.在这三个模块中很显然恒力的提供居于核心地位！

图1

用如图1所示实验装置“探究加速度与物体质量、物体受力的关系(已经平衡摩擦力)，设钩码质量为m,小车质量为M,绳子拉力为T,对钩码分析有：mg-T=ma,对小车分析有：T=Ma,联立可解得：

由此我们可以得出只有当m≪M这一条件时绳上拉力才近似等于钩码的重力，在实验中数据处理时就可以用钩码的重力表示小车受到的合外力，我们追本溯源，透过现象找本质，也就是说我们可以直接得到绳上的拉力，这个实验也就不需要满足m≪M这个条件了.本文以三类情况为例，对此点进行梳理，以期达到有助于学生对此实验的理解.

一、以平衡获知小车的恒力

例1 在“探究加速度与质量和力的关系”实验时，某兴趣小组对传统实验进行改进，其实验操作步骤如下：

图2

(1)如图2，把砂和砂桶整体通过滑轮挂于小车一端，调节长木板右端倾角θ，保证小车沿斜面做匀速直线运动，称量出砂和砂桶的总质量m.

(2)保持长木板倾角θ不改变，拿去砂和砂桶，小车就会在长木板上向下做匀加速直线运动，通过纸带处理，计算出小车下滑的加速度a.

(3)确保小车质量M不变，改变砂和砂桶的质量m，然后重复(1)(2)两步操作，计算出小车加速度与合力关系.

(4)再改变小车的质量，保证砂和砂桶的总质量m不变，重复(1)(2)两步操作，计算出小车加速度和质量的关系.

问：在本实验中需要不需要满足砂和砂桶的质量远小于小车的总质量？

解析小车沿长木板向下加速运动时所受的合外力就是砂和砂桶的总重力，这道实验中的研究对象是小车，因此， 实验中不必使砂和砂桶的总质量远小于小车的质量.

点评在操作(1)中，对小车分析有Mgsinθ=f+T，对砂和砂桶分析有T=mg，则Mgsinθ=f+mg.

在操作(2)中对小车分析有F合=Mgsinθ-f，所以F合=mg，即小车所受的合力大小等于mg.

不需要满足砂和砂桶的质量m远小于小车的总质量M.本题综合能力强，在平衡基础上结合牛顿定律，培养学生对陌生综合题型的分析能力.

二、以弹簧测力计(力传感器)读数获知小车恒力

例2某实验小组用如图3所示装置探究加速度与质量和力的关系，一端带滑轮的长木板和弹簧测力计都水平固定.

图3

问：实验中是否控制砂和砂桶的总质量远小于小车的质量？

解析绳子拉力可以由弹簧测力计读出，无需要求砂和砂桶的质量远小于小车质量，

例3 某试验小组利用拉力传感器来探究加速度与质量和力的关系，实验装置如图4所示.将拉力传感器固定在小车上，用细线将拉力传感器通过一个定滑轮与钩码连接.传感器可以记录小车受到细绳的拉力F的大小；长木板右端固定一打点计时器，通过连接在小车后面的纸带，可得到小车匀加速运动的速度与加速度.

图4

问：实验中是否控制砂和砂桶的总质量远小于小车的质量？

解析拉力传感器测出的拉力F就是绳子拉力的准确值，无需满足钩码质量远小于小车质量.

点评例2在实验器材上利用动滑轮和弹簧测力计的组合，可以直接读出小车的拉力，例3在实验装置上利用拉力传感器直接读出小车的拉力，这一情景相对清楚，比常规实验更准确得到绳子拉力，实验引入新时代信息元件，对学生适应新事物的灵活应变力有很大的帮助.

三、以整体思想获知系统的恒力

例4 某兴趣小组利用如图5所示实验装置来探究加速度与质量和力的关系，其实验步骤如下：

图5

(1)连接好装置，把长木板不带滑轮的一端抬高，使小车拉着纸带沿长木板能够匀速下滑；

(2)取四个相同的砝码全部放在小车上，在砝码盘上放上一个砝码，通过纸带测量小车的加速度；

(3)每次把小车上砝码取一个放到砝码盘中，重复实验，测量小车加速度.

问：本实验中小车总质是否需要远大于砝码盘及砝码的总质量？

解析这个实验以整体为研究对象，既把小车，砝码盘，砝码看成一个整体，每次虽然在砝码盘上增加砝码，但是三个总量不变，因此，这个实验不需要满足传统实验的小车质量远大于砝码盘和砝码的总质量这一必须条件.

点评本实验题抓住了整体的质量不变这一因素，跳出研究细绳拉力这一困惑的思想 .这对学生阅读分析题意能力要求比较高，能明确此时绳子上的力是系统内力，抓住题意研究整体加速度.

在探究加速度与力、质量的关系实验中要想细绳的拉力近似等于小盘及砝码的总重力，只有满足砝码盘及砝码的总质量远小于小车质量时．本文从实验装置的改进，设计的创新，原理的交换等三个方向展开，再回归原有的实验基本思想.要求我们老师在教学过程中追本溯源，帮助学生跳出题海，透过现象找出实验本质.提高学习效率.