再談“探究加速度與力、質量的關系”實驗方案的改進

◇ 江蘇 許軍樓

“探究加速度與力、質量的關系”實驗是高中物理重要的力學實驗之一，教材中的實驗方案原理、實驗條件存在一定的局限性，往往導致系統(tǒng)誤差比較明顯.筆者根據自身教學實踐，在分析傳統(tǒng)實驗局限性的基礎上，從“研究對象、測量手段、實驗原理”等途徑入手，對實驗方案進行改進和優(yōu)化，實現(xiàn)學生物理思維能力和物理學科核心素養(yǎng)的提高.

改進方案1 改變研究對象

物理教材中的實驗裝置如圖1所示，加速度根據打點計時器在紙帶上的點跡直接計算得出，小車的動力由懸掛物的重力提供，借助木板傾斜時小車重力的分力與摩擦力平衡，利用控制變量法探究a 與F、M之間的關系.該實驗方案中系統(tǒng)誤差來源于m ?M(m 為砝碼與砝碼盤的總質量，M 為小車的質量)的情況下繩子拉力近似等于砝碼和砝碼盤的總重力，但是實際操作中m 不斷變大時不再滿足上述條件，進而出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，在圖象中出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象.

圖1

基于此，實驗中以小車和鉤碼整體為研究對象，實驗裝置如圖2所示，鉤碼的重力mg 充當整體的合外力F，小車運動的加速度顯然a 與F 成正比，與M ＋m 成反比，這樣無須測量繩中拉力，無需滿足m?M 的條件，系統(tǒng)誤差被完美消除，實驗大大簡化，操作性變強.但是此方案存在一定的缺點，學生對實驗原理的理解存在一定的困難.

圖2

改進方案2 改變測量手段

教材中的實驗設計方案建立在m?M 的條件下，繩中拉力近似等于砝碼和砝碼盤的總重力.基于此，可以引入彈簧測力計直接測出繩中拉力大小，改變盤中砝碼個數來改變繩中拉力，改變小車受到的合外力，進一步討論小車加速度與合外力之間的關系.此方案無須滿足m?M 的條件，完美克服原實驗原理中存在系統(tǒng)誤差的缺陷，實驗裝置如圖3所示.

圖3

但是此實驗方案也存在明顯缺點：1)實際實驗操作中，彈簧測力計的讀數具有較大的不穩(wěn)定性，彈簧測力計讀數帶來的偶然誤差較大；2)該裝置無法實現(xiàn)F 一定時，a 與M 之間關系的探討，因為改變M 時整體加速度也發(fā)生改變，難以實現(xiàn)繩中拉力F 為定值.當然在改變測量手段的優(yōu)化方案中，還可以引入傳感器進行實驗，克服彈簧測力計和打點計時器帶來的影響，實驗裝置如圖4所示.

圖4

改進方案3 改變實驗原理

上述幾個改進實驗方案中均以小車與砝碼盤(含砝碼)整體為研究對象，細繩牽引小車做勻加速直線運動，借助實驗儀器測量相關量進行實驗探究.這里還可以借助氣墊導軌、滑塊和光電門等實驗儀器，從實驗的原理上進行改進設計，如圖5所示.

圖5

彈簧測力計的讀數表示滑塊的合外力F 的大小，剪斷細線后滑塊沿著斜面勻加速下滑過程中，遮光片通過光電門可以記錄時間，通過數據處理得出加速度的大??；滑塊合外力的大小取決于導軌的傾角變化，滑塊質量變化可以借助配重片的添加與減少來實現(xiàn)，另外可以用游標卡尺測出遮光片的寬度d.此實驗方案中彈簧測力計直接讀出滑塊合外力的大小，無系統(tǒng)誤差；利用光電門與數字計時器所得數據可以得到加速度的大小(誤差比較小).a 與F、a 與M 之間關系均可探討，整體實踐操作具有實用性和實效性.

總而言之，物理實驗方案的優(yōu)化是物理教師思考的重要問題，作為一線物理教師，在平時的課堂教學中，應該關注物理實驗資源價值的挖掘，通過實驗方案的優(yōu)化，不斷提升實驗的實用性，進而促進學生物理學科核心素養(yǎng)的提升.