“探究加速度与力、质量的关系”实验的改进

黄瑞香

（厦门第二中学，福建厦门361000）



“探究加速度与力、质量的关系”实验的改进

黄瑞香

（厦门第二中学，福建厦门361000）

摘要：文章提出了高中物理实验“探究加速度与力、质量的关系”存在的几个问题。针对这些问题，先通过改进实验方法和实验器材来提高实验的精确度，再利用Excel软件处理数据获得实验结果，最后对实验结果进行分析。分析后发现：改进后实验误差小，结果更符合理论，学生更能相信实验的准确性；再和学生讨论理论上如何计算出平衡摩擦力所需的斜面倾斜角，从而让学生体会到物理学的严谨性。

关键词：实验；摩擦力平衡；图象

一、“探究加速度与力、质量的关系”实验产生问题的原因

实验“探究加速度与力、质量的关系”在教材中起到承上启下的作用，学生在学习了质量是惯性的唯一量度之后，学习这节内容是认知过程的必然，也是牛顿第二定律的实验和理论基础。该实验是探究性实验，难度要比验证性实验大。该实验能否掌握，对牛顿第二定律和“探究功与速度变化的关系”实验的学习都非常关键，同时对学生实验素养与探究素养的形成有重要的价值。在该实验中，有的教材是通过“不断调整轨道的斜度，使小车不挂重物时恰能匀速运动”的方法来克服摩擦，但这种方法不易操作。而有些教材则是“不断调整轨道的斜度，使小车不挂重物时刚好能运动”，这种方法虽然会比较好操作点，但是却存在较大的理论误差。因为理论上滑动摩擦力要小于最大静摩擦力，而当小车刚好下滑时，重力沿斜面向下的分力就会略大于最大静摩擦力，当然也就大于滑动摩擦力。再者，该实验是通过改变小车所挂重物的重力，来改变小车的受力大小，而所挂重物教材中是采用钩码，这不仅很难满足“小车质量要远大于重物质量”的条件，而且重物可调整范围很小，无法做多组实验，造成实验结果误差较大。同时该组实验所需测量的数据较多，在教学过程中发现，学生都无法在实验操作后，直接对数据进行处理，而且对实验结果的判断也存在较大的问题。基于上述这些问题，下面介绍笔者对该实验的改进。

二、“探究加速度与力、质量的关系”实验改进的思路

对于教材中采用的平衡摩擦力方法存在的问题，主要是因为无法准确地找出摩擦力平衡时斜面与水平面的夹角θ0，所以笔者先通过理论计算出小车和轨道斜面的动摩擦因数，进而求出平衡摩擦力所需要的轨道斜面与水平面的夹角θ0，这样就能让学生利用量角器，准确地找出摩擦力平衡时斜面的倾斜度。再者，利用重量基本一致的铁钉代替钩码，作为重物来改变小车所受的力，不仅可以满足“小车的质量要远大于重物的质量”的条件，而且重物可调整范围较大，可做多组实验，从而减少实验的偶然误差，提高了实验的准确度。最后，利用Excel软件来处理数据，可以使数据处理变得简单，使得数字形象化，实验结果一目了然，也有助于学生及时检查自己的实验结果。

三、“探究加速度与力、质量的关系”实验改进的方法

（一）实验仪器的改进

高中教材中所用的仪器：力学轨道小车、电火花打点计时器、,刻度尺、纸带、钩码（50g）。现增加小桶（仪器自配，重0.08N）、铁钉（重为0.02N）11个和量角器。其中小桶和铁钉是替代钩码作为拉小车的重物，量角器则用来量轨道斜面与水平面的夹角。

（二）求动摩擦因数和平衡摩擦力所需的轨道斜面与水平面的夹角

先用打点计时器和刻度尺测出小车在轨道斜面上下滑时的加速度，再用量角器量出此时轨道斜面与水平面的夹角。通过下面的理论计算，算出动摩擦因数。［1］

图1

由图（1）受力分析可知：

设重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡时,木板与水平面间的夹角为θ0，则：

mgsinθ0= f，

f =μmgcosθ0，

得tanθ0=μ即θ0=artan μ.

由于这部分推导，需要用到的牛顿第二定律，是学生此时还未学到的知识，只是掌握了受力分析、力的合成与分解，因此在教学实施过程中，教师要提前从理论计算出，平衡摩擦力时轨道斜面所需的倾斜角，再把这个角度提供给学生。当然，不同组的实验器材θ0的值会有一点点偏差。

（三）实验操作改进

1.探究加速度与力的关系

（1）用天平测出小车和砝码的总质量，把数值记录下来；

（2）调节轨道斜面与水平面的夹角（笔者提前从理论上计算出来）；

（3）装上纸带，挂上小桶，桶里先放3个钉子，打出纸带，做好标记；

（4）保持小车的质量不变，重复步骤3，分别在桶里放进钉子个数5个、7个、9个……打出纸带，做好标记；

（5）在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，求出每条纸带的加速度。

2.探究加速度与质量的关系

（1）保持所挂重物的质量不变，轨道斜面保持原来的倾斜角不变，挂上重物后将小车由静止释放，打出纸带，做好标记；

（2）通过在小车上加砝码的方法，改变小车的质量，重复实验，得到多条纸带，算出加速度。

3.实验数据记录与处理

在教学过程中，笔者采用了学生实验时所得的一组数据

（1）实验数据记录如下表所示

小车质量不变，探究加速度与物体受力的关系：

小车受力不变，即所挂重物的质量不变，探究加速度与物体质量的关系：

（2）利用Excel软件作出图象。

由表格中的数据，通过Excel软件可作出如下图象，其中图2是a-F图象，图3是a-M图象，图4是a-1/M图象。［2］

图2

图3

图4

（四）实验结论

由上述可知，实验所得的图象几乎接近正比函数，所以可得出：当物体的质量不变时，加速度与物体所受的力成正比；当物体所受的力不变时，加速度与物体的质量成反比。因此图3中的函数表达式y= 4.236x-0.0283，其斜率4.236代表小车质量的倒数，与实际小车质量的倒数相差不多，实验的误差较小；图4中的函数表达式y=0.3235x-0.0039，其斜率0.3235代表小车所受的力F,与实际的F=0.34N差别甚少。

（五）理论探讨轨道斜面的倾斜角

在得出牛顿第二定律后，这时和学生从理论上计算出平衡摩擦力时，所需轨道斜面的倾斜角，同时进一步说明，不同组器材的动摩擦因素μ会有点偏差，所以平衡摩擦力时所需的倾斜角，也是会有微小的偏差。

四、改进后的反思

改进后实验操作会更精准，得到的实验结果误差小，同时通过比较图3和图4，也有助于学生理解为什么要画a-1/M的图象。在教学过程中发现，若能向学生展示如何用Excel软件处理数据，学生会更相信实验的准确度。由于如何处理数据也是考察学生实验能力的一方面，所以在教学实施中，应要求学生课后自己动手作出所需的图象。理论探讨如何计算出“平衡摩擦力时，所需的斜面与水平面的夹角”的过程，又会让学生领会到物理学的严谨性。同时，提高该实验的精确度有很多方法，如何能更好的改进实验装置，可以引导学生进行思考和尝试，培养其创新能力和探究能力。

掌握了该实验对学生后续做“探究功与速度变化的关系”实验有很大帮助。特别是在如何平衡摩擦力这点上，学生可以先自己通过计算摩擦力平衡所需的夹角，精确地平衡摩擦力，由此实验的精确度就可提高，同时也可以培养学生运用力学理论知识解决实际问题的能力。

参考文献：

［1］李晓明，徐晓梅．提高高中物理两个实验精确度的方法探索［J］．中学物理教学参考，2013（06）．

［2］李飞跃．Excel在物理实验教学中的应用［J］．物理教学研究专题，2014（10）．

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1673-9884（2016）02-0096-03

收稿日期：2015 - 01 - 25

作者简介：黄瑞香（1985-），女，福建厦门人，厦门第二中学二级教师。