摘? ?要：通過探究現(xiàn)行教材中“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗方案的優(yōu)勢與不足，進而剖析期刊文獻中改進方案的主要問題，基于滑動摩擦力創(chuàng)新實驗方案。

關(guān)鍵詞：加速度；實驗方案；滑動摩擦力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）3-0045-4

“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”作為課程標準規(guī)定的必做實驗之一，旨在讓學生經(jīng)歷“提出問題—猜想和假設(shè)—設(shè)計實驗—實施實驗—分析評估—交流”的探究過程，運用歸納概括的思維方法來認識牛頓第二定律。然而，受現(xiàn)有實驗方案科學探究過程科學性、嚴謹性的影響，學生的認同度和獲得感不足，難以達到預(yù)期的學習效果。

1? ? 五個版本新教材實驗方案述評

1.1? ? 巧妙“消除”摩擦力影響

教材中對于摩擦力的處理主要有兩種方案：第一種是人教版、教科版、魯科版與滬科教版教材采用的補償法的方案（圖1），使小車在不受牽引力時恰能拖動紙帶沿木板勻速運動，利用受力平衡來補償摩擦力的影響。第二種是粵教版教材采用的氣墊導軌的方案（圖2），氣體通過導軌表面的小孔噴出，滑塊與導軌不直接接觸，滑塊在導軌上近似做一種無阻力直線運動［1］。兩種方案都很好地回避了摩擦力的問題，值得借鑒和推廣。

1.2? ? 陷入循環(huán)論證的誤區(qū)

五個版本新教材均采用通過定滑輪連接懸吊鉤碼（或重物）的細繩提供對小車的拉力，并強調(diào)當鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量時，則認為鉤碼重力與小車所受合力近似相等。但是，教材中未進一步說明為什么“鉤碼質(zhì)量需要遠小于小車質(zhì)量”，而這往往是學生最大的疑惑點。教學實踐中教師通常的講解方法是對質(zhì)量為m的鉤碼和質(zhì)量為M的小車分別運用牛頓第二定律，聯(lián)立化簡后可得繩對小車的拉力F=（M/M+m）mg，說明當m<

1.3? ? 難以保證作用力恒定

教材均采用保持鉤碼不變、改變小車質(zhì)量來探究加速度a與小車質(zhì)量M的關(guān)系。繩對小車的拉力F=M/M+m）mg，即便m<

2? ? 主要創(chuàng)新與改進實驗方案述評

一線教師基于教學實踐，以減小系統(tǒng)誤差、提高探究過程的科學性和邏輯性為主要目標，主要從研究對象、測量手段和實驗原理三個角度對實驗進行了改進和優(yōu)化［2-4］。

2.1? ? 通過改變研究對象創(chuàng)新實驗方案

實驗裝置與操作：實驗裝置如圖3所示，以小車和鉤碼整體作為研究對象。鉤碼重力作為整體產(chǎn)生加速度的外力，分別對小車和鉤碼受力分析后可得a=mg/m+M）。第一步，將定滑輪下方的鉤碼逐個移到小車上，測量每次定滑輪下方鉤碼重力和小車加速度，可探究加速度和作用力的關(guān)系。第二步，固定定滑輪下方鉤碼的數(shù)量，改變小車上鉤碼的數(shù)量，測量每次鉤碼和小車的總質(zhì)量和小車加速度，可探究加速度和質(zhì)量的關(guān)系。

實驗方案述評：以小車和鉤碼整體作為研究對象的實驗方案，有效回避了鉤碼質(zhì)量需要遠小于小車質(zhì)量（m<

2.2? ? 通過改變測量手段改進實驗方案

2.2.1? ? 通過改變測量力的手段

實驗裝置與操作：在教材實驗方案的基礎(chǔ)上，如圖4所示增加動滑輪和彈簧測力計，如圖5所示增加力傳感器。以小車為研究對象，分別用彈簧測力計和力傳感器精確測得小車所受的外力，參照教材實驗方案進行操作。

實驗方案述評：以上兩種改進方案都能精確測量小車所受的拉力，有效回避了鉤碼質(zhì)量需要遠小于小車質(zhì)量（m<

2.2.2? ? 通過改進測量運動的手段

實驗裝置與操作：在以上兩種實驗方案的基礎(chǔ)上，如圖6所示通過光電門測得小車速度來計算加速度，如圖7所示通過位移傳感器測小車位移來計算加速度，具體實驗操作步驟與上述兩種實驗方案大體一致。

實驗方案述評：改進測量運動的手段，只是改變了數(shù)據(jù)處理的方式，并未從根本上解決無法準確探究加速度和質(zhì)量的關(guān)系的問題。

2.3? ? 通過利用受力平衡創(chuàng)新實驗方案

實驗裝置與操作：如圖8所示，小車放在一個可調(diào)節(jié)傾斜角度的木板上，以小車為研究對象，利用光電門測小車速度。第一步，調(diào)節(jié)木板傾斜角度和鉤碼數(shù)量，使小車恰好能夠帶動鉤碼沿木板向下做勻速直線運動。第二步，剪斷細線使小車沿木板運動，根據(jù)受力分析可得鉤碼的重力大小等于小車所受的外力F。第三步，通過固定小車質(zhì)量同時改變鉤碼數(shù)量，重復(fù)前兩步操作，并記錄數(shù)據(jù)探究加速度和作用力的關(guān)系。第四步，通過改變小車質(zhì)量同時固定鉤碼數(shù)量，重復(fù)前兩步操作，并記錄數(shù)據(jù)探究加速度和質(zhì)量的關(guān)系。

實驗方案述評：該方案同樣回避了鉤碼質(zhì)量需要遠小于小車質(zhì)量（m<

3? ? 巧用滑動摩擦力實驗方案的改進與創(chuàng)新

在初中“認識滑動摩擦力影響因素”的基礎(chǔ)之上，高中物理課程標準對于滑動摩擦力的要求進一步提高，強調(diào)學生能夠深度理解并靈活運用公式定量計算滑動摩擦力?；瑒幽Σ亮Φ拇笮H取決于動摩擦因數(shù)和接觸面的壓力，這一性質(zhì)為精準控制滑動摩擦力的大小奠定了基礎(chǔ)，也為以滑動摩擦力作為作用力探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系提供了契機。

3.1? ? 探究加速度與作用力的關(guān)系

實驗裝置與原理：如圖9所示，以位于氣墊導軌上的木板（含遮光條）為研究對象，以滑塊對木板的滑動摩擦力為外力F，利用遮光條、光電門和計時器測量木板的加速度a。通過增減滑塊上的砝碼來改變木板所受的摩擦力大小，從而實現(xiàn)研究對象質(zhì)量M不變，外力F改變。

數(shù)據(jù)記錄與處理：第一步，如圖9所示快速拉動牽引繩，使滑塊與木板發(fā)生相對滑動，并保證滑塊與木板相對滑動的過程中遮光條順利通過光電門1和光電門2，根據(jù)光電門測量木板的加速度。第二步，如圖10所示，在木板右側(cè)固定一個彈簧測力計，拉動牽引繩，使滑塊與木板發(fā)生相對滑動，直至彈簧測力計示數(shù)穩(wěn)定，由二力平衡可知，此時彈簧測力計示數(shù)大小等于滑塊對木板的摩擦力F；由此得到一組對應(yīng)的a與F值。第三步，改變滑塊上砝碼的數(shù)量，重復(fù)前兩步，得到其他組對應(yīng)的a與F值；根據(jù)多組數(shù)據(jù)作出a-F圖像；實驗表明，當物體質(zhì)量一定時，加速度與作用力成正比。

實驗方案述評：本實驗方案利用滑動摩擦力作為物體運動的外力，有效回避了摩擦力帶來的系統(tǒng)誤差。利用二力平衡原理來測量木板所受摩擦力，簡潔、直觀且準確。利用光電門測量加速度a，有效避免了利用打點計時器測量紙帶時的偶然誤差。該方案的主要系統(tǒng)誤差來源于以遮光條通過光電門的平均速度作為瞬時速度，為進一步減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)當適當減小遮光條的寬度。

3.2? ? 探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系

實驗裝置與原理：如圖11所示，以位于氣墊導軌上的木板（含遮光條、砝碼）為研究對象，以滑塊對木板的滑動摩擦力為外力F，利用遮光條、光電門和計時器測量木板的加速度a。通過增減木板上的砝碼來改變木板（含遮光條、砝碼）總質(zhì)量，從而實現(xiàn)外力F不變，研究對象質(zhì)量M改變。

數(shù)據(jù)記錄與處理：第一步，如圖11所示快速拉動牽引繩，使滑塊與木板發(fā)生相對滑動，并保證滑塊與木板相對滑動的過程中遮光條順利通過光電門1和光電門2，利用光電門測量木板的加速度a。第二步，用天平測出木板（含遮光條、砝碼）的總質(zhì)量M，由此得到一組對應(yīng)的a與M值。第三步，改變木板上砝碼的數(shù)量，重復(fù)前兩步，得到其他組對應(yīng)的a與M值；根據(jù)多組數(shù)據(jù)作出a-1/M圖像；圖像表明，當物體所受外力一定時，加速度與質(zhì)量成反比。

實驗方案述評：本方案的創(chuàng)新之處在于以滑塊對木板的滑動摩擦力作為木板的外力，既避免了“遠小于”的程度界定和原因闡述的困難，又提供了恒定的滑動摩擦力，且嚴格遵循了控制變量法的基本原則，保障了實驗的嚴謹、客觀與科學。從盡量回避摩擦力到巧妙運用滑動摩擦力，既提供了穩(wěn)定的外力，又減小了系統(tǒng)誤差，不僅有助于深化學生對物理概念與規(guī)律的理解，更能夠強化遷移應(yīng)用的意識和能力。該方案主要的系統(tǒng)誤差同樣主要由遮光條引起，故不再贅述。

參考文獻：

［1］李紅偉，李泳杰.不同版本教材中“實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗探究方案的對比與思考［J］.物理教師，2021，42（7）：55-56，59.

［2］李敏，馬瑞.“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗的改進［J］.中學物理教學參考，2021，50（4）：62-63.

［3］汪小明.創(chuàng)新實驗方案 培育學科素養(yǎng)——探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗方案的改進［J］.物理教師，2019，40（12）：46-49.

［4］溫敏.用阻力補償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實驗器材改進與創(chuàng)新［J］.物理教師，2021，42（12）：50-52.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2022-12-01

作者簡介：呂艷坤（1989-），男，博士研究生，主要從事物理課程與教學論研究。