■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(tǒng)實驗方案要求實驗條件需滿足m＜＜M，以減小系統(tǒng)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(guī)律。 它是牛頓力學的核心內(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(xiàn)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。

方案一：用打點計時器測量加速度

實驗裝置如圖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

方案二：用比較法測量加速度

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(jīng)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(shù)。

方案三：用光電計時裝置測量加速度

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(shù)字計時器等，是測量加速度比較精密的裝置。

圖4

（1）把數(shù)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(jié)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(shù)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(xù)測量加速度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(xù)測量加速度4 次，將每次加速度的值記錄下來，根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標紙上作出a-1/M 圖像是經(jīng)原點的直線，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(shù)字化實驗儀器設備進行實驗探究，獲得的實驗數(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，調節(jié)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理和因使用傳統(tǒng)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(chuàng)新實驗方案與傳統(tǒng)實驗方案的對比，我們可以發(fā)現(xiàn)實驗的精確度有較大的提升， 實驗數(shù)據(jù)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(yōu)缺點，著重對學生過程分析能力及知識遷移能力的培養(yǎng)。