侍躍

摘 要：本文從“探究加速度與力、 質(zhì)量的關(guān)系”這個(gè)實(shí)驗(yàn)的三種不同類型，幫助學(xué)生透過實(shí)驗(yàn)的變化思路的現(xiàn)象，找出每種變化的本質(zhì)，進(jìn)而得出每種變化都基于本實(shí)驗(yàn)的基本原理，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中抓住實(shí)質(zhì)，提高復(fù)學(xué)習(xí)效率.

關(guān)鍵詞：需要;不需要;恒力

中圖分類號：G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號：1008-0333（2020）10-0069-02

收稿日期：2020-01-05

作者簡介：侍躍（1982.3-），男，江蘇省灌云人，從事高中物理教學(xué)研究.

探究性實(shí)驗(yàn)是以有待探究的問題為中心，按實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理三個(gè)模塊解決中心問題.在高中物理實(shí)驗(yàn)“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”中，問題解決對應(yīng)模塊是：一是恒力的提供與測量、加速度的測量，二是實(shí)驗(yàn)操作，三是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理.在這三個(gè)模塊中很顯然恒力的提供居于核心地位！

圖1用如圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系（已經(jīng)平衡摩擦力），設(shè)鉤碼質(zhì)量為m，小車質(zhì)量為M，繩子拉力為T，對鉤碼分析有：mg-T=ma，對小車分析有：T=Ma，聯(lián)立可解得：

`

由此我們可以得出只有當(dāng)mM這一條件時(shí)繩上拉力才近似等于鉤碼的重力，在實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理時(shí)就可以用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，我們追本溯源，透過現(xiàn)象找本質(zhì)，也就是說我們可以直接得到繩上的拉力，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也就不需要滿足mM這個(gè)條件了.本文以三類情況為例，對此點(diǎn)進(jìn)行梳理，以期達(dá)到有助于學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)的理解.

一、以平衡獲知小車的恒力

例1 在“探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，某興趣小組對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，其實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

圖2（1）如圖2，把砂和砂桶整體通過滑輪掛于小車一端，調(diào)節(jié)長木板右端傾角θ，保證小車沿斜面做勻速直線運(yùn)動(dòng)，稱量出砂和砂桶的總質(zhì)量m.

（2）保持長木板傾角θ不改變，拿去砂和砂桶，小車就會(huì)在長木板上向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，通過紙帶處理，計(jì)算出小車下滑的加速度a.

（3）確保小車質(zhì)量M不變，改變砂和砂桶的質(zhì)量m，然后重復(fù)（1）（2）兩步操作，計(jì)算出小車加速度與合力關(guān)系.

（4）再改變小車的質(zhì)量，保證砂和砂桶的總質(zhì)量m不變，重復(fù)（1）（2）兩步操作，計(jì)算出小車加速度和質(zhì)量的關(guān)系.

問：在本實(shí)驗(yàn)中需要不需要滿足砂和砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量？

解析 小車沿長木板向下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的合外力就是砂和砂桶的總重力，這道實(shí)驗(yàn)中的研究對象是小車，因此， 實(shí)驗(yàn)中不必使砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量.

點(diǎn)評 在操作（1）中，對小車分析有Mgsinθ=f+T，對砂和砂桶分析有T=mg，則Mgsinθ=f+mg.

在操作（2）中對小車分析有F合=Mgsinθ-f，所以F合=mg，即小車所受的合力大小等于mg.

不需要滿足砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量M.本題綜合能力強(qiáng)，在平衡基礎(chǔ)上結(jié)合牛頓定律，培養(yǎng)學(xué)生對陌生綜合題型的分析能力.

二、以彈簧測力計(jì)（力傳感器）讀數(shù)獲知小車恒力 ?例2 某實(shí)驗(yàn)小組用如圖3所示裝置探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系，一端帶滑輪的長木板和彈簧測力計(jì)都水平固定.

圖3問：實(shí)驗(yàn)中是否控制砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？

解析 繩子拉力可以由彈簧測力計(jì)讀出，無需要求砂和砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，

例3 某試驗(yàn)小組利用拉力傳感器來探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.將拉力傳感器固定在小車上，用細(xì)線將拉力傳感器通過一個(gè)定滑輪與鉤碼連接.傳感器可以記錄小車受到細(xì)繩的拉力F的大小;長木板右端固定一打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，通過連接在小車后面的紙帶，可得到小車勻加速運(yùn)動(dòng)的速度與加速度.

圖4問：實(shí)驗(yàn)中是否控制砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？

解析 拉力傳感器測出的拉力F就是繩子拉力的準(zhǔn)確值，無需滿足鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量.

點(diǎn)評 例2在實(shí)驗(yàn)器材上利用動(dòng)滑輪和彈簧測力計(jì)的組合，可以直接讀出小車的拉力，例3在實(shí)驗(yàn)裝置上利用拉力傳感器直接讀出小車的拉力，這一情景相對清楚，比常規(guī)實(shí)驗(yàn)更準(zhǔn)確得到繩子拉力，實(shí)驗(yàn)引入新時(shí)代信息元件，對學(xué)生適應(yīng)新事物的靈活應(yīng)變力有很大的幫助.

三、以整體思想獲知系統(tǒng)的恒力

例4 某興趣小組利用如圖5所示實(shí)驗(yàn)裝置來探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系，其實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖5（1）連接好裝置，把長木板不帶滑輪的一端抬高，使小車?yán)垘а亻L木板能夠勻速下滑;

（2）取四個(gè)相同的砝碼全部放在小車上，在砝碼盤上放上一個(gè)砝碼，通過紙帶測量小車的加速度;

（3）每次把小車上砝碼取一個(gè)放到砝碼盤中，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測量小車加速度.

問：本實(shí)驗(yàn)中小車總質(zhì)是否需要遠(yuǎn)大于砝碼盤及砝碼的總質(zhì)量？

解析 這個(gè)實(shí)驗(yàn)以整體為研究對象，既把小車，砝碼盤，砝碼看成一個(gè)整體，每次雖然在砝碼盤上增加砝碼，但是三個(gè)總量不變，因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不需要滿足傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量這一必須條件.

點(diǎn)評 本實(shí)驗(yàn)題抓住了整體的質(zhì)量不變這一因素，跳出研究細(xì)繩拉力這一困惑的思想 .這對學(xué)生閱讀分析題意能力要求比較高，能明確此時(shí)繩子上的力是系統(tǒng)內(nèi)力，抓住題意研究整體加速度.

在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中要想細(xì)繩的拉力近似等于小盤及砝碼的總重力，只有滿足砝碼盤及砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí).本文從實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，原理的交換等三個(gè)方向展開，再回歸原有的實(shí)驗(yàn)基本思想.要求我們老師在教學(xué)過程中追本溯源，幫助學(xué)生跳出題海，透過現(xiàn)象找出實(shí)驗(yàn)本質(zhì).提高學(xué)習(xí)效率.

參考文獻(xiàn)：

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[2]戴偉.萬變不離其中 ＼[J＼].數(shù)理化解題研究，2018（22）：56-60.

[責(zé)任編輯：李 璟]