楊振宇
(安徽省阜陽市第五中學(xué),安徽 阜陽 236000)
探究“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”是人教版高中物理必修1第四章第二節(jié)內(nèi)容,本節(jié)是在牛頓第一定律之后、牛頓第二定律之前的一節(jié)實驗探究課,在課本中起到承上啟下的作用。在本節(jié)課之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了牛頓第一定律,知道了力與慣性的概念,學(xué)生對加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系產(chǎn)生了認知需求。為了讓學(xué)生深刻理解牛頓第二定律,學(xué)生通過實驗,定量探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系非常關(guān)鍵。牛頓第二定律是牛頓力學(xué)的核心,貫穿整個高中物理的學(xué)習(xí),所以做好該實驗非常必要。
作為高中最重要的實驗之一,課本中的實驗方法較為繁瑣,導(dǎo)致學(xué)生分組實驗耗時較長,實驗結(jié)果不盡如人意。不少老師由于上課時間緊張,往往采用視頻展示來取代學(xué)生實驗,使得學(xué)生缺少動手操作的機會,為高中物理教學(xué)留下遺憾。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,物理實驗儀器也在朝著精確、方便和先進的方向發(fā)展。為了能提高實驗精度,簡化實驗操作,提高實驗教學(xué)效率,讓學(xué)生真正感受到物理實驗的魅力,本文對實驗做了幾點改進,實驗效果較好。
關(guān)于“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗,課本提供了兩種實驗方案。
如圖1所示,將兩個相同的小車放在光滑的水平木板上,各用一條細繩將一端連接,把細線繞過定滑輪,另一端與可放鉤碼的小盤連接,小盤和鉤碼的重力提供小車做加速運動的合外力,通過增減鉤碼,改變小車受到的外力。
圖1
圖2
可是利用該方案進行實驗時,利用黑板擦很難控制兩車同時停下來,這就難以保證兩車運動的時間相同,另外小車的位移測量也不是很方便,因此利用此方案,增加了數(shù)據(jù)測量的不確定性,也增加了實驗的偶然誤差。
圖3
改進后實驗裝置如圖4所示,實驗中使用氣墊導(dǎo)軌,避免了摩擦力給實驗帶來的影響。在氣墊導(dǎo)軌上安裝兩個光電門,通過測量經(jīng)過每個光電門的時間和兩個光電門時間間隔,利用數(shù)字計時器測量滑塊加速度功能,可以得到滑塊的加速度。在滑塊上安裝了力傳感器,可以直接測量滑塊受到的拉力。在氣墊導(dǎo)軌上摩擦力可以忽略不計的情況下,滑塊受到的合力就等于滑塊受到的拉力。
圖4
(1) 探究加速度與力的關(guān)系
① 用天平測出滑塊質(zhì)量;
② 調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平;
③ 改變鉤碼的質(zhì)量以改變合外力,利用力傳感器得到拉力的大小,通過用光電門和數(shù)字計時器測出物塊加速度。
(2) 探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系
① 保證鉤碼的質(zhì)量不變,改變滑塊的質(zhì)量,用天平測出鉤碼和滑塊的總質(zhì)量。
② 通過用光電門和數(shù)字計時器得到滑塊加速度。
(1) 實驗數(shù)據(jù)記錄
保持滑塊質(zhì)量不變時,滑塊加速度與合外力的關(guān)系如表1所示。
表1
保持系統(tǒng)所受合外力不變,加速度與質(zhì)量的關(guān)系如表2所示。
表2
(2) 實驗數(shù)據(jù)處理
實驗中采用Excel軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理,可以直接擬合出a-F圖像(如圖5)、a-(M+m)圖像(如圖6)和a-1/(M+m)圖像(如圖7)。
圖5
圖6
圖7
利用Excel軟件擬合的圖像,可得出結(jié)論:質(zhì)量一定時,加速度與力成正比;拉力一定時,加速度與質(zhì)量成反比。改進后實驗操作更加方便快捷,實驗精度更高,實驗結(jié)果和理論符合得非常好。通過作圖利用Excel軟件比較加速度與質(zhì)量和質(zhì)量倒數(shù)的關(guān)系,不僅有助于幫助學(xué)生更好地理解為什么要作加速度與質(zhì)量的倒數(shù)的圖像,更有利于培養(yǎng)學(xué)生利用計算機處理數(shù)據(jù)的能力。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)成為常態(tài),越來越多的學(xué)校建設(shè)了數(shù)字化實驗室,對傳感器和計算機的使用更加頻繁,為了能跟上科技發(fā)展的步伐,需要對傳統(tǒng)的實驗進行改進,引導(dǎo)學(xué)生對課本上的物理實驗進行嘗試和思考,激發(fā)學(xué)生研究物理的熱情,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和探究能力。