《探究加速度與力、質量的關系》教學實驗方案設計

石興奇　萬猛　王麗蓉

《牛頓第二定律》是動力學的核心規律，是牛頓運動定律的重點和中心內容。加速度與力、質量的定量關系規律——《牛頓第二定律》，需要在探究加速度與力、質量的定量關系的實驗成功的基礎之上總結得出，才是順理成章、水到渠成的結論。

普通高中新課程標準實驗教科書物理（必修1）第四章第二節——《探究加速度與力、質量的關系》的實驗方案，教科書提供了兩個參考方案：（一）用懸吊重物的方法同時拉光滑水平面上的兩個小車，用刻度尺測量兩個小車在相同時間里通過的位移，其位移之比等于它們的加速度之比；（二）用懸吊重物的方法拉傾斜面上的一個小車，用打點計時器直接測量加速度。筆者教學時的實驗方案是這樣設計的：將兩個光電門安裝在距離為s的水平氣墊導軌上，讓滑塊在恒定水平拉力作用下從其中一個光電門處由靜止出發向另一個光電門方向做勻加速直線運動，用數字毫秒計時器測出滑塊在兩個光電門之間運動的時間t，再根據s=■at■即可算出滑塊的加速度；滑塊的質量用天平稱量；滑塊所受外力的大小在誤差范圍內近似等于拖動滑塊的“小重物”重力的大小（條件是“小重物”的質量要比滑塊的質量小很多）。

其具體操作分為三步：

一、控制物體（滑塊）的質量不變（M=0.60kg），探究加速度與力的關系的實驗數據記錄如下表：

1.作出與F的函數圖像；

2.學生歸納實驗結論：在物體質量一定時，物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比。

二、控制物體（滑塊）所受的外力不變（F=0.10N），探究加速度與質量的關系的實驗數據記錄如下表：

1.作出相應的函數圖像；

2.學生歸納實驗結論：在物體受到的作用力一定時，物體加速度的大小跟它的質量成反比。

三、由學生根據一、二的結論歸納得出物體加速度與力、質量的關系：物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的質量成反比。

實驗方案反思：

教材提供的方案（一）中的“光滑水平面上”是一種理想化的模型，本實驗方案用水平氣墊導軌等效替代光滑水平面，是對學生進行科學技術革新，創造條件把實際問題模型化的一次科學觀、模型觀的思想教育。

該實驗方案的系統誤差主要源于實驗條件的控制。控制條件一：氣墊導軌的水平調節；控制條件二：“小重物”的質量要比滑塊的質量小很多（一般要求滑塊的質量比“小重物”的質量至少大十倍以上）。

用該實驗方案教學《探究加速度與力、質量的關系》，在絕大多數學校的實驗室應該具備所需的實驗器材和實驗條件，實驗可操作性強，定量效果好。其中實驗數據的處理和函數圖像的描繪，若由計算機輔助完成則會收到事半功倍的效果，從而提高課堂教學的有效性。

基金項目：遵義師范學院基礎教育課題基金資助項目（2013ZYJ065）。