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        實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反思——談探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

        2021-08-05 11:47:00馬之超
        數(shù)理化解題研究 2021年18期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)質(zhì)量

        馬之超 龐 穎

        (湖北省天門中學(xué)物理組 431700)

        一、實(shí)驗(yàn)條件的反思

        1.m?M時(shí),F(xiàn)≈mg的原因

        探究小車加速度a與合外力F、質(zhì)量M的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)裝置通常為圖1.設(shè)水平長木板上表面光滑,則線對小車的拉力F就是小車所受的合外力.質(zhì)量為M的小車(連同里面的砝碼)與質(zhì)量為m的裝砂砂桶(或鉤碼),它們的加速度大小都是a,受力如圖2.

        對小車:F=Ma

        (1)

        對砂桶:mg-F=ma

        (2)

        (3)

        (4)

        從(3)式知道,F(xiàn)小于mg,但是,當(dāng)砂和砂桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車和砝碼的總質(zhì)量M,即m?M時(shí),才可以認(rèn)為小車的合外力F=mg,這樣小車合外力F的測量就可以用砂桶的重力mg表示了.

        2.平衡摩檫阻力的原因及方法

        實(shí)際中,小車運(yùn)動會受到長木板和紙帶的摩擦阻力f,小車的合外力就不好測量,我們就在長木板右端加墊塊,讓長木板變?yōu)樾泵?,且去掉砂桶,使小車帶著紙帶勻速運(yùn)動,即讓打出的紙帶中間部分點(diǎn)跡均勻分布.這樣就平衡了摩檫,此時(shí)對小車受力如圖3.

        有:Mgsinθ=f

        (5)

        當(dāng)掛上砂桶后,變成了圖4,圖4中對小車受力分析如圖5.

        沿斜面方向:F+Mgsinθ-f=Ma

        (6)

        由(5)(6)兩式得F=Ma

        這樣圖4裝置與圖1裝置等價(jià).所以平衡摩擦?xí)r,小車后面的紙帶必須連接好,但不能掛砂桶,才能達(dá)到線的拉力F是小車受的合外力的目的.圖4中的結(jié)果就可以用表達(dá)式(3)(4)討論了

        二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反思

        1.a-F圖像的討論

        實(shí)際圖像圖7前部分與圖6完全吻合,原因如下:

        實(shí)際圖像圖7后部分與圖6出現(xiàn)差異,原因如下:

        分析方法三當(dāng)m非常大趨于無窮時(shí)(極限思想),m的加速度為重力加速度g,小車的加速度大小也為g,也就是說小車的加速度有一最大值,因此圖像必然向下彎曲,最終趨于重力加速度g

        實(shí)際繪出的圖像與牛頓第二定律并不矛盾,甚至可以說是在某些復(fù)雜的情境中驗(yàn)證了牛頓第二定律的正確性,但是考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平,我們將實(shí)際情景進(jìn)行理想化處理.在m<

        三、系統(tǒng)誤差減少的方法

        實(shí)驗(yàn)裝置變?yōu)閳D11和圖12時(shí),小車受到的合外力F可直接用力傳感器測出,或用測力計(jì)測出,那么m遠(yuǎn)小于M的條件就不需要了.這樣,測力的原理不完善帶來的系統(tǒng)誤差得到了減小.

        總之,實(shí)驗(yàn)誤差及實(shí)驗(yàn)條件的分析,要學(xué)會根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn),找出物理量的關(guān)系,按它服從的規(guī)律展開討論,例如該實(shí)驗(yàn)中F≈mg原因的分析,這是我們在物理教學(xué)中要逐步滲透的.借助數(shù)學(xué)工具解決物理問題,如分析法一,是我們研究問題必不可少的手段.將條件理想化處理問題,然后考慮實(shí)際因素分析問題,例如分析方法二,這是物理教學(xué)中常常要用到的.極限思想(或把問題演繹到特殊狀態(tài)),如分析方法三,是我們檢驗(yàn)一個(gè)結(jié)論,是否正確的常用方法,也是我們在教學(xué)中要教會學(xué)生的.同時(shí),實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)既有利于提高準(zhǔn)確度,又有利于提升學(xué)生的探究思維,如圖1設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課可多角度培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).教材的編寫是開放式的,我們的教學(xué)若如文中反思一樣,常常對教材進(jìn)行拓展,自然會收獲多多.

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