用雙車實驗探究加速度與質量和力之間的關系

張利軍

(余姚市第四中學 浙江 寧波 315400)

物理學是一門以實驗為基礎的科學，實驗能力是高考要求考查的五種能力之一．高中物理實驗包括學生分組實驗和教師演示實驗.高考實驗考查內容要求是來源于學生實驗而又高于學生實驗，要能充分體現平時認真做過實驗與沒做過實驗的學生答題時有很大區別．因此就要求教師在平時的實驗課堂教學中注意培養實驗動手能力及實驗探究、創新和遷移能力．熟悉平時所做過的每一個實驗，特別是實驗原理及實驗數據的處理方法，從而觸類旁通，利用所給的實驗要求進行實驗設計及探究．下面以實驗探究加速度與質量、力之間的關系為例來談談做這一實驗時的教學創新．

牛頓第二定律是動力學核心內容．現行高中物理教材刪去了“驗證牛頓第二定律”這一學生實驗，增加了實驗探究加速度與質量、力之間的關系一節內容．傳統的實驗方案是控制變量，先保持物體的質量不變，測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系；再保持物體所受的力相同，測量不同質量的物體在該力作用下的加速度，分析加速度與質量的關系．同時教材提供了一種“雙車位移比較法”的參考案例．但筆者發現，在實際實驗操作中存在以下兩點不足：

(1)用夾子通過小車后的細繩來控制小車的運動，容易出現松滑現象,導致兩小車啟動與剎車不同步,使得兩車運動時間不相等,產生誤差；

(2)小車在斜面上運動時容易跑偏而滑落或使小車后的細繩滑出夾子而失去對時間控制功能．

為了解決上述實驗問題,筆者在實際實驗操作中對實驗器材及實驗方法做了以下改進：

(1)把傳統實驗中所用的滑輪斜面小車組合改成滑輪軌道小車組合，這就可以有效地防止小車由于跑偏而滑落；

(2)小車后面的夾子細繩控制裝置改成紙帶與沾有墨汁的直尺控制裝置.可以利用直尺同時釋放、按壓兩小車后的紙帶來控制小車的運動，而后比較兩紙帶上有墨汁標記間的長度，即可知道兩小車在相同時間內的位移之比．它的好處在于可防止由于夾子的松滑而導致的兩小車的運動時間的不相等問題．

實驗方法：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,調節木塊的位置,使小車剛好能在軌道上做勻速運動以平衡摩擦力．

圖1

(1)探究小車的加速度與所受的拉力的關系．利用初速為零的小車做勻加速運動時有位移公式

當兩小車運動時間相等時，位移與加速度成正比，從而可把探究加速度與力之間關系問題轉化為探究位移與力之間關系問題．取兩輛相同的小車并加上相同砝碼，使小車及所加砝碼的總質量遠大于繩上所掛鉤碼的質量，分別在兩輛小車的前端通過細繩掛上2個與3個鉤碼．先用沾有墨汁的直尺按壓住兩小車后的紙帶使小車靜止，再放開直尺使小車同時開始運動，一段時間后用直尺同時用力按壓住紙帶，取下兩條紙帶，截取有墨汁始末標記間的那段紙帶，分別把它們對折及三折，然后比較它們的長度是否相等，如相等，則表明在小車質量不變的情況下,小車的加速度與所受的拉力成正比．

(2)探究小車的加速度與小車質量的關系．仍用前面的裝置，這次兩輛小車前面通過細繩掛上相同質量的鉤碼，通過加鉤碼的方法使兩輛小車的質量之比為2∶3，釋放沾有墨汁的直尺使小車做初速為零的勻加速運動，然后按下直尺使小車停止，同樣取下小車后面的紙帶.截取其中有始末墨汁標記段，分別把它們三折與對折，而后比較它們的長度，如相等，則表明在質量不變的情況下,小車的加速度與小車的質量成反比．

本實驗的優點：

(1)利用滑輪軌道小車組合，有效地防止了小車由于跑偏而滑落的問題；

(2)易于操作, 用沾有墨汁的直尺控制小車的運動，避免了用夾子來控制小車的運動而引起的兩小車運動時間不相等的問題；

(3)實驗數據處理方法簡便，避免了大量數據的測量、計算，利用位移比值法可以節約大量課堂時間，省略了加速度的計算，學生易于且樂于掌握；

(4)實驗現象明顯，演示效果好，容易引起學生的興趣，可做到師生互動．