用雙車(chē)實(shí)驗(yàn)探究加速度與質(zhì)量和力之間的關(guān)系

張利軍

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ歉呖家罂疾榈奈宸N能力之一．高中物理實(shí)驗(yàn)包括學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和教師演示實(shí)驗(yàn).高考實(shí)驗(yàn)考查內(nèi)容要求是來(lái)源于學(xué)生實(shí)驗(yàn)而又高于學(xué)生實(shí)驗(yàn)，要能充分體現(xiàn)平時(shí)認(rèn)真做過(guò)實(shí)驗(yàn)與沒(méi)做過(guò)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生答題時(shí)有很大區(qū)別．因此就要求教師在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中注意培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力及實(shí)驗(yàn)探究、創(chuàng)新和遷移能力．熟悉平時(shí)所做過(guò)的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，特別是實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，從而觸類(lèi)旁通，利用所給的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及探究．下面以實(shí)驗(yàn)探究加速度與質(zhì)量、力之間的關(guān)系為例來(lái)談?wù)勛鲞@一實(shí)驗(yàn)時(shí)的教學(xué)創(chuàng)新．

牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)核心內(nèi)容．現(xiàn)行高中物理教材刪去了“驗(yàn)證牛頓第二定律”這一學(xué)生實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)探究加速度與質(zhì)量、力之間的關(guān)系一節(jié)內(nèi)容．傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案是控制變量，先保持物體的質(zhì)量不變，測(cè)量物體在不同大小的力作用下的加速度，分析加速度與力的關(guān)系；再保持物體所受的力相同，測(cè)量不同質(zhì)量的物體在該力作用下的加速度，分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系．同時(shí)教材提供了一種“雙車(chē)位移比較法”的參考案例．但筆者發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中存在以下兩點(diǎn)不足：

(1)用夾子通過(guò)小車(chē)后的細(xì)繩來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，容易出現(xiàn)松滑現(xiàn)象,導(dǎo)致兩小車(chē)啟動(dòng)與剎車(chē)不同步,使得兩車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)間不相等,產(chǎn)生誤差；

(2)小車(chē)在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)容易跑偏而滑落或使小車(chē)后的細(xì)繩滑出夾子而失去對(duì)時(shí)間控制功能．

為了解決上述實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,筆者在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中對(duì)實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)方法做了以下改進(jìn)：

(1)把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所用的滑輪斜面小車(chē)組合改成滑輪軌道小車(chē)組合，這就可以有效地防止小車(chē)由于跑偏而滑落；

(2)小車(chē)后面的夾子細(xì)繩控制裝置改成紙帶與沾有墨汁的直尺控制裝置.可以利用直尺同時(shí)釋放、按壓兩小車(chē)后的紙帶來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，而后比較兩紙帶上有墨汁標(biāo)記間的長(zhǎng)度，即可知道兩小車(chē)在相同時(shí)間內(nèi)的位移之比．它的好處在于可防止由于夾子的松滑而導(dǎo)致的兩小車(chē)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間的不相等問(wèn)題．

實(shí)驗(yàn)方法：如圖1所示，先不掛鉤碼，將滑輪軌道有定滑輪的一端伸出桌面，在軌道的另一端下面墊一小木塊,調(diào)節(jié)木塊的位置,使小車(chē)剛好能在軌道上做勻速運(yùn)動(dòng)以平衡摩擦力．

圖1

(1)探究小車(chē)的加速度與所受的拉力的關(guān)系．利用初速為零的小車(chē)做勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)有位移公式

當(dāng)兩小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等時(shí)，位移與加速度成正比，從而可把探究加速度與力之間關(guān)系問(wèn)題轉(zhuǎn)化為探究位移與力之間關(guān)系問(wèn)題．取兩輛相同的小車(chē)并加上相同砝碼，使小車(chē)及所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于繩上所掛鉤碼的質(zhì)量，分別在兩輛小車(chē)的前端通過(guò)細(xì)繩掛上2個(gè)與3個(gè)鉤碼．先用沾有墨汁的直尺按壓住兩小車(chē)后的紙帶使小車(chē)靜止，再放開(kāi)直尺使小車(chē)同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，一段時(shí)間后用直尺同時(shí)用力按壓住紙帶，取下兩條紙帶，截取有墨汁始末標(biāo)記間的那段紙帶，分別把它們對(duì)折及三折，然后比較它們的長(zhǎng)度是否相等，如相等，則表明在小車(chē)質(zhì)量不變的情況下,小車(chē)的加速度與所受的拉力成正比．

(2)探究小車(chē)的加速度與小車(chē)質(zhì)量的關(guān)系．仍用前面的裝置，這次兩輛小車(chē)前面通過(guò)細(xì)繩掛上相同質(zhì)量的鉤碼，通過(guò)加鉤碼的方法使兩輛小車(chē)的質(zhì)量之比為2∶3，釋放沾有墨汁的直尺使小車(chē)做初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)，然后按下直尺使小車(chē)停止，同樣取下小車(chē)后面的紙帶.截取其中有始末墨汁標(biāo)記段，分別把它們?nèi)叟c對(duì)折，而后比較它們的長(zhǎng)度，如相等，則表明在質(zhì)量不變的情況下,小車(chē)的加速度與小車(chē)的質(zhì)量成反比．

本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)利用滑輪軌道小車(chē)組合，有效地防止了小車(chē)由于跑偏而滑落的問(wèn)題；

(2)易于操作, 用沾有墨汁的直尺控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，避免了用夾子來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)而引起的兩小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)間不相等的問(wèn)題；

(3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)便，避免了大量數(shù)據(jù)的測(cè)量、計(jì)算，利用位移比值法可以節(jié)約大量課堂時(shí)間，省略了加速度的計(jì)算，學(xué)生易于且樂(lè)于掌握；

(4)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，演示效果好，容易引起學(xué)生的興趣，可做到師生互動(dòng)．