物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新研究
——以《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的改進(jìn)為例

■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。

方案一：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量加速度

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

方案二：用比較法測(cè)量加速度

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)。

方案三：用光電計(jì)時(shí)裝置測(cè)量加速度

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。

方案四：利用位移傳感器和靜力傳感器測(cè)量加速度

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)。