■河南省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 王若冰
探究加速度與力、 質(zhì)量的關(guān)系是一個(gè)重要的探究實(shí)驗(yàn), 也是高考考查頻次很高的實(shí)驗(yàn)之一。 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案要求實(shí)驗(yàn)條件需滿足m<<M,以減小系統(tǒng)誤差,若不做改進(jìn),則該誤差只能減小而不能消除。
牛頓第二定律是在大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的規(guī)律。 它是牛頓力學(xué)的核心內(nèi)容之一, 指出了物體加速度的決定因素。 要探究加速度與外力、 質(zhì)量之間的關(guān)系,就要設(shè)法測(cè)出物體的質(zhì)量、所受外力、加速度的大小。物體質(zhì)量的測(cè)量比較簡(jiǎn)單,而加速度和外力的測(cè)量則比較困難, 這是因?yàn)檠芯繉?duì)象做變速運(yùn)動(dòng)的過程中, 測(cè)量加速度和力的大小是非常不易的。
現(xiàn)在將“探究加速度與力、 質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的四種可行性方案總結(jié)如下。
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。 利用打出的紙帶上的數(shù)據(jù)可以算出小車在運(yùn)動(dòng)過程中的加速度大小, 而小車受到的合外力在一定的條件下等于砝碼盤和砝碼(或沙桶和沙)的總重力。
圖1
實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示, 通過比較兩個(gè)小車運(yùn)動(dòng)的位移, 得到兩個(gè)小車的加速度之比。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是保證兩個(gè)小車同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)、同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。
圖2
這種方法比較粗略,但過程簡(jiǎn)單,也算是方案一的改進(jìn)型。困難在“用夾子很難保證兩個(gè)小車同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)”,為此可將用比較法測(cè)量加速度的裝置改為如圖3 所示。
圖3
改變課本上原有左右并列裝置, 使它具有兩個(gè)分別置于經(jīng)支架在豎直方向上平行架起的一對(duì)上下軌道上的演示小車,以易于控制, 在小車運(yùn)動(dòng)的木板側(cè)面標(biāo)上刻度,便于直接讀數(shù)。
有條件的學(xué)校可利用圖4 所示裝置測(cè)量滑塊的加速度。 該裝置需氣墊導(dǎo)軌、氣源、光電門傳感器、數(shù)字計(jì)時(shí)器等,是測(cè)量加速度比較精密的裝置。
圖4
(1)把數(shù)字計(jì)時(shí)器接通電源,依次安裝好光電門,打開氣源開關(guān),把滑塊移動(dòng)至導(dǎo)軌上某一處,調(diào)節(jié)軌道水平,用手啟動(dòng)滑塊,使其以一定的速度運(yùn)動(dòng),保證滑塊在通過兩個(gè)光電門時(shí)的速度誤差小于3%即可。
(2)將滑塊兩端分別連接上掛鉤,把一根細(xì)線系在砝碼桶上,讓細(xì)線一端跨過滑輪上的方孔,而滑塊恰恰可以從靠近滑輪一側(cè)的光電門處通過,選擇數(shù)字計(jì)時(shí)器上相應(yīng)的功能測(cè)量加速度的大小。
(3)當(dāng)滑塊質(zhì)量一定時(shí),分析研究加速度與外力之間的變化關(guān)系:保持不變滑塊質(zhì)量M,依次改變力F 4 次,每一次力被改變, 滑塊定要從同一位置由靜止釋放,連續(xù)測(cè)量加速度4 次,并記錄下每次所獲得的加速度的值,根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作出a-F 圖像是過原點(diǎn)的直線, 由圖可知a與F 成正比。
(4)當(dāng)外力F 一定時(shí),分析研究加速度和質(zhì)量之間的變化關(guān)系:外力F 為一定值,依次改變滑塊的質(zhì)量M 4 次,每一次質(zhì)量改變,都要使滑塊從相同的位置由靜止釋放,連續(xù)測(cè)量加速度4 次,將每次加速度的值記錄下來,根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上作出a-1/M 圖像是經(jīng)原點(diǎn)的直線,由圖可知a 與M 成反比。
把靜力傳感器固定在小車上,用繩子直接拉著傳感器,直接測(cè)出繩子拉力的大小,不需考慮失重造成的影響,用位移傳感器直接測(cè)出加速度的大小。
利用電子計(jì)算機(jī)、傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更具客觀性,避免了傳統(tǒng)模式下因人為估讀等因素造成的偶然誤差。
(1)把位移傳感器固定在軌道的一端,調(diào)節(jié)軌道水平, 把細(xì)繩的一端綁在小車上,另一端跨過定滑輪掛一個(gè)小桶,將位移傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器第一通道,并與計(jì)算機(jī)相連,打開Edislab 軟件。
(2)探究加速度與拉力的關(guān)系,得到的a-F 圖像是過原點(diǎn)的直線, 說明a 與F成正比。
(3)探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系,得到的a-1/M 圖像是過原點(diǎn)的直線,說明a 與M 成反比。
以上四種實(shí)驗(yàn)方案的比較:方案一測(cè)量加速度的計(jì)算比較麻煩,誤差較大。 方案二比較粗略,過程簡(jiǎn)單,現(xiàn)象較為明顯,目前在高中教學(xué)中被普遍使用。 方案三測(cè)量加速度的數(shù)據(jù)相對(duì)精確,但氣墊導(dǎo)軌及相關(guān)器材較精密昂貴,測(cè)量加速度需要進(jìn)行一定的計(jì)算。 方案四用位移傳感器直接測(cè)出加速度的大小,避免了煩瑣耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和因使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器人為估讀造成的偶然誤差,圖像也由計(jì)算機(jī)作出,使學(xué)生有更充足的時(shí)間專注于體驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、探究實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)施實(shí)驗(yàn)過程。 推薦有條件的學(xué)校采用第四種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
通過對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案的對(duì)比,我們可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的精確度有較大的提升, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理更簡(jiǎn)單快捷。 因此,我們?cè)谖锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)中,要緊扣實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,多從?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)原理等方面考慮,認(rèn)真研究分析實(shí)驗(yàn)中可能存在的優(yōu)缺點(diǎn),著重對(duì)學(xué)生過程分析能力及知識(shí)遷移能力的培養(yǎng)。