物理的“加速度與力、質量的關系”實驗的探究實踐

摘 要：在高中物理學習過程中，要不斷學習總結，養成良好的物理習慣，掌握合理的學習方法，加強對一系列物理實驗的有效探究，提高自身實驗操作能力，進而方可收獲理想的物理學習效果。在此背景下，本文通過從平衡滑動摩擦力、小車質量M與小盤質量m的關系、利用圖像法處理及分析實驗結果等角度對物理的“加速度與力、質量的關系”實驗展開探討。

關鍵詞：“加速度與力、質量的關系”;牛頓第二定律;摩擦力

引言：物理學作為一門以觀察、實驗為基礎的學科，由此決定了實驗學習在中學物理學習中的重要性。綜合分析高考實驗題，不難發現實驗題重點考察的是我們對實驗原理的理解水平。所以在物理實驗探究中，我們應當通過對實驗原理、數據處理等的有效學習，以加強對實驗原理的深入理解，要明確實驗原理是物理實驗的重中之重。“加速度與力、質量的關系”實驗是高中物理《牛頓第二定律》中的一項重要內容，作為學生的我們，應當明確對于該實驗的學習目標，即為：其一，學習掌握加速度與力、力量的關系的合理性和必要性;其二，學習掌握實驗思路的合理性，及圖像處理實驗數據的有效性;其三，學習實驗操作及測量過程，憑借圖像處理實驗數據過程，掌握調節摩擦阻力、縮減系統誤差的操作方法;等等[1]。“加速度與力、質量的關系”實驗不僅蘊含了豐富的物理實驗思想及方法，還有助于培養我們的實驗能力、科學態度。因而，對物理的“加速度與力、質量的關系”實驗進行探究實踐，具有十分重要的現實意義。

1.平衡滑動摩擦力

平衡摩擦力是影響“加速度與力、質量的關系”實驗誤差的一項重要因素。自理論層面而言，小車下滑力所需平衡的摩擦力涵蓋有小車與木板之間的摩擦力和紙帶與打點計時器之間的摩擦力，其中，紙帶與電磁打點計時器之間的摩擦力同時形成于紙帶與限位孔之間及紙帶與振針之間;紙帶與火花計時器之間的摩擦力知識形成于紙帶與限位孔之間。然而，在具體實驗操作中，可對紙帶與打點計時器之間的摩擦力予以忽略，原因在于：其一，實驗中僅僅為一次性調整木板的傾斜角度，也就是mgsinα=μmgcosα，該種平衡并不受小車質量的影響，因而調整小車質量便不需要再另外調節角度。然而倘若計算紙帶與打點計時器之間的摩擦力，木板的傾斜角度便會伴隨小車質量的轉變而轉變。其二，調節木板傾斜角度，從而使小車勻速運動，這一條件較為苛刻。具體實驗操作中通常難以實現，均會由于傾斜角度太小或者太大而造成圖像不過坐標原點。其三，因為實際實驗裝置穩定性有限，在不斷的實驗操作中，極易出現墊片與模板相對位置發生轉變的情況。所以，將木板一端墊起合理的高度，將紙帶及瑪法予以撤去，輕推小車，觀察小車做緩慢勻速運動與否，是較為理想、實用的實驗操作方法[2]。

2.小車質量M與小盤質量m的關系

首先，針對“加速度與力、質量的關系”實驗條件必須滿足m遠遠小于M的問題。通過平衡滑動摩擦力后，F拉便是小車受到的合外力。如何計算F拉，并確保其維持不變便是實驗操作的又一大重點。一般而言，是引入跨過定滑輪細線懸掛的小盤的重力mg趨近于代替F拉，也就是F拉≈mg.如此一來，要如何創造該種趨近于代替的條件呢？

如圖1所示，小車M與小盤m在實驗操作中形成連接體，因而結合牛頓第二定律而言，可得出F拉=Ma及mg-F拉=Ma，結合以上公式F拉=Ma及mg-F拉=Ma，進一步可得出F拉=M·mg/（M+m）=mg/（1+m/M）

圖1

其次，是否探究每一個“加速度與力、質量的關系”實驗均需要滿足m遠遠小于M的條件。顯然答案是否定的，倘若小車受到的拉力值可精確測量出，則無需滿足m遠遠小于M這一條件。好比，通過將一個力傳感器裝置于小車上，便可利用計算機精確測量出拉力值，而不再受到m遠遠小于M該條件的制約。又好比，可借助如圖2所示的操作，將一端裝置有定滑輪的木板固定于水平桌面上，另一端專職打點計時器，平衡滑動摩擦力后，再選取繞過定滑輪、動滑輪的細線使小車與彈簧測力計實現連接，動滑輪下方懸掛有質量可變化的小重物，將穿過打點計時器的紙帶與小車進行連接，接通打點計時器，放開小車，對滑輪質量及滑輪摩擦均予以忽略不計，則彈簧測力計的顯示數值便是繩子的拉力，這個過程中同樣無需滿足m遠遠小于M的條件。

圖2

3.利用圖像法處理及分析實驗結果

依據控制變量法，反復改變m或M，可逐一獲取4～5組數據，再對應繪制a-F圖、a-1/M圖。如圖3所示，結合牛頓第二定律F=ma可得出，a與F呈正相關關系，因而理論上而言a-F圖像應當是過坐標原點的傾斜直線。不過，在F偏大時，圖像卻會出現彎曲情況。

圖3

結合以上公式F拉=Ma及mg-F拉=Ma，可得出小車實際加速度：a=mg/（M+m），倘若其中M保持不變，在m遠遠小于M時，則F拉=M·mg/（M+m）=Mg/（1+m/M）

如圖4所示，a-F圖像存在橫軸截距，換而言之，在F拉偏小時，小車依舊保持靜止，F拉滿足相應條件時小車方可運行。所以，截距的存在時由于未能平衡摩擦力。在小車運動后，再依據牛頓第二定律分析的得出，F-F滑=Ma，也就是a=1/M·（F-F滑）.由此可得出，圖4的斜率意味著小車質量的倒數，橫軸截距反映的是滑動摩擦力大小，縱軸截距反映的是由滑動摩擦力對應形成加速度的大小。相同的，還可運用上述方法對a-1/M圖像彎曲原因進行探究解析。

圖4

4.結束語

總而言之，在高中物理實驗學習過程中，我們不僅要提高學習效率，消除焦躁心理，還要深入了解物理實驗的原理、規律，奠定良好的理論基礎，提高對知識結構建立的有效重視。結合平衡滑動摩擦力、小車質量M與小盤質量m的關系、利用圖像法處理及分析實驗結果等角度的實驗變化，我們可有效得出不管是哪一種變化其本質仍舊是在原本物理實驗基礎上的優化創新，不論是哪一個角度均離不開原本實驗的基本內容。結合本文對“加速度與力、質量的關系”實驗的梳理過程，高中物理實驗并非不可戰勝，只要我們不斷總結，不斷探索，明確物理實驗學習的方向，做到舉一反三，梳理物理學習的有效信心，便可真正意義上提高我們對物理實驗的學習質量、學習效率。

參考文獻

[1]毛中峰.高中物理探究實驗教學和科學探究精神——從《探究加速度與力、質量的關系》培養科學探究精神[J].科學大眾（科學教育），2012，11（02）：254-254.

[2]朱崇軍.“探究性實驗”教學中應注意的三個策略——以《實驗：探究加速度與力、質量的關系》為例[J].湖南中學物理，2014，11（04）：162-163.

[3]蔣天林.理解原理精彩變化提升能力——“探究加速度與力、質量的關系”實驗題的拓展變化[J].中學物理教學參考，2016，09（11）：116-120.

作者簡介：李雨軒（2000.11——），女，漢族，河南周口人，焦作十一中學高三（五）班學生，研究方向：物理