物理實驗教學的創新研究——以《實驗：探究加速度與力、質量的關系》的改進為例

■河南省實驗中學 王若冰

探究加速度與力、 質量的關系是一個重要的探究實驗， 也是高考考查頻次很高的實驗之一。

傳統實驗方案要求實驗條件需滿足m＜＜M，以減小系統誤差，若不做改進，則該誤差只能減小而不能消除。

牛頓第二定律是在大量實驗事實的基礎上總結出來的規律。

它是牛頓力學的核心內容之一， 指出了物體加速度的決定因素。

要探究加速度與外力、 質量之間的關系，就要設法測出物體的質量、所受外力、加速度的大小。物體質量的測量比較簡單，而加速度和外力的測量則比較困難， 這是因為研究對象做變速運動的過程中， 測量加速度和力的大小是非常不易的。

現在將“探究加速度與力、 質量的關系”實驗的四種可行性方案總結如下。

實驗裝置如圖1 所示。

利用打出的紙帶上的數據可以算出小車在運動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

實驗裝置如圖2 所示， 通過比較兩個小車運動的位移， 得到兩個小車的加速度之比。

這個實驗成功的關鍵是保證兩個小車同時開始運動、同時停止運動。

圖2

這種方法比較粗略，但過程簡單，也算是方案一的改進型。困難在“用夾子很難保證兩個小車同時停止運動”，為此可將用比較法測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， 使它具有兩個分別置于經支架在豎直方向上平行架起的一對上下軌道上的演示小車，以易于控制， 在小車運動的木板側面標上刻度，便于直接讀數。

有條件的學?？衫脠D4 所示裝置測量滑塊的加速度。

該裝置需氣墊導軌、氣源、光電門傳感器、數字計時器等，是測量加速度比較精密的裝置。

圖4

（1）把數字計時器接通電源，依次安裝好光電門，打開氣源開關，把滑塊移動至導軌上某一處，調節軌道水平，用手啟動滑塊，使其以一定的速度運動，保證滑塊在通過兩個光電門時的速度誤差小于3%即可。

（2）將滑塊兩端分別連接上掛鉤，把一根細線系在砝碼桶上，讓細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的光電門處通過，選擇數字計時器上相應的功能測量加速度的大小。

（3）當滑塊質量一定時，分析研究加速度與外力之間的變化關系：保持不變滑塊質量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，連續測量加速度4 次，并記錄下每次所獲得的加速度的值，根據數據在坐標紙上作出a-F 圖像是過原點的直線， 由圖可知a與F 成正比。

（4）當外力F 一定時，分析研究加速度和質量之間的變化關系：外力F 為一定值，依次改變滑塊的質量M 4 次，每一次質量改變，都要使滑塊從相同的位置由靜止釋放，連續測量加速度4 次，將每次加速度的值記錄下來，根據數據在坐標紙上作出a-1/M 圖像是經原點的直線，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出加速度的大小。

利用電子計算機、傳感器等數字化實驗儀器設備進行實驗探究，獲得的實驗數據更具客觀性，避免了傳統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，調節軌道水平， 把細繩的一端綁在小車上，另一端跨過定滑輪掛一個小桶，將位移傳感器連接到數據采集器第一通道，并與計算機相連，打開Edislab 軟件。

（2）探究加速度與拉力的關系，得到的a-F 圖像是過原點的直線， 說明a 與F成正比。

（3）探究加速度與質量的關系，得到的a-1/M 圖像是過原點的直線，說明a 與M 成反比。

以上四種實驗方案的比較：方案一測量加速度的計算比較麻煩，誤差較大。

方案二比較粗略，過程簡單，現象較為明顯，目前在高中教學中被普遍使用。

方案三測量加速度的數據相對精確，但氣墊導軌及相關器材較精密昂貴，測量加速度需要進行一定的計算。

方案四用位移傳感器直接測出加速度的大小，避免了煩瑣耗時的實驗數據處理和因使用傳統實驗儀器人為估讀造成的偶然誤差，圖像也由計算機作出，使學生有更充足的時間專注于體驗設計實驗方案、探究實驗思想和實施實驗過程。

推薦有條件的學校采用第四種方案進行實驗。

通過對創新實驗方案與傳統實驗方案的對比，我們可以發現實驗的精確度有較大的提升， 實驗數據的處理更簡單快捷。

因此，我們在物理實驗教學中，要緊扣實驗目的，多從實驗器材、實驗方法、實驗操作過程、實驗原理等方面考慮，認真研究分析實驗中可能存在的優缺點，著重對學生過程分析能力及知識遷移能力的培養。