探究加速度与力、质量关系的创新实验

关健波

(云南省昆明市第十四中学 650106)

一、“ 探究加速度与力、质量的关系”实验产生问题的原因

图1

传统实验装置如图1所示，高中学生对传统的方案，有关近似法的理解有一定困难，其原因是，教材中提供的传统方案因实验原理不完善而造成了系统误差.

(1)实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力).设绳子拉力为F，小车质量为M，小盘和砝码的总质量为m.

对小车：F=Ma

对小盘和砝码：mg-F=ma

(2)小车在木板上运动时必然会受到摩擦力的作用，所以要平衡摩擦力.在平衡摩擦力时，可把有打点计时器的那一端木板适当抬高，给小车一个初速度，若车子能匀速下滑，则小车所受的摩擦力和其重力沿斜面向下的分力平衡，平衡摩擦时，很容易造成误差.

二、“探究加速度与力、质量的关系”实验改进的方案及其论证

如图2所示的装置探究加速度与质量的关系.实验器材有气垫导轨、滑块(总质量为m，左端装有遮光板)、光电门(配接数字计时器)、米尺、铁架台.

图2

为了和第三章相互作用顺利的对接，我采用了用重力沿斜面向下的分力来充当小车的合力，设斜面的长度为L，斜面叠高了h，得：

①

即：m和L不变时，F合与h成正比

用光电门间接求出小车的加速度，若小车静止释放的位置到光电门的距离x,挡光片的宽度为D,挡光时间为t，则小车的加速度可以表示为：

②

实验选取高度依次为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm进行实验测得时间数据如下表.

h510152025t0.00730.00520.00430.00370.00321/t218765.243698.2552798.3173046.0297656.25

h0101530t0.00590.00440.0031/t2028727.3865269.35111111.11

三、探究加速度与力、质量的关系”实验改进方案的优点

(1)本实验装置通过气垫导轨消除摩擦力的影响，避免因为平衡摩擦力引起的误差；

(2)本实验装置的设计思想是根据前一章最后一节内容《力的分解》的知识而设计的，根据学生的思维能力，学生很容易想到用滑块重力沿线面向下的分力来充当滑块的合力，并且这个合力是恒定的，不会出现系统误差.

(4)光滑斜面是高中物理中最常用的物理模型之一，通过本实验装置让学生感受与光滑斜面最相近的物理模型，学生通过对气垫斜面模型的实践操作，对建构物理模型有较大的促进作用，也能为学习牛顿运动定理内容的做好铺垫.

(5)本实验装置还可以从恒力做功和变力做功的角度来探究合力做功和速度的关系(与人教版必修二教材中实验方案相比本实验装置更全面，本实验装置可以从恒力做功和变力做功的两个角度来探究)；同样本实验装置也可用来验证机械能守恒(运用伽利略的思想从斜面到竖直，本实验从竖直到斜面，更加全面的补充了机械能守恒的普遍性实验).