物理的“加速度与力、质量的关系”实验的探究实践

摘 要：在高中物理学习过程中，要不断学习总结，养成良好的物理习惯，掌握合理的学习方法，加强对一系列物理实验的有效探究，提高自身实验操作能力，进而方可收获理想的物理学习效果。在此背景下，本文通过从平衡滑动摩擦力、小车质量M与小盘质量m的关系、利用图像法处理及分析实验结果等角度对物理的“加速度与力、质量的关系”实验展开探讨。

关键词：“加速度与力、质量的关系”;牛顿第二定律;摩擦力

引言：物理学作为一门以观察、实验为基础的学科，由此决定了实验学习在中学物理学习中的重要性。综合分析高考实验题，不难发现实验题重点考察的是我们对实验原理的理解水平。所以在物理实验探究中，我们应当通过对实验原理、数据处理等的有效学习，以加强对实验原理的深入理解，要明确实验原理是物理实验的重中之重。“加速度与力、质量的关系”实验是高中物理《牛顿第二定律》中的一项重要内容，作为学生的我们，应当明确对于该实验的学习目标，即为：其一，学习掌握加速度与力、力量的关系的合理性和必要性;其二，学习掌握实验思路的合理性，及图像处理实验数据的有效性;其三，学习实验操作及测量过程，凭借图像处理实验数据过程，掌握调节摩擦阻力、缩减系统误差的操作方法;等等[1]。“加速度与力、质量的关系”实验不仅蕴含了丰富的物理实验思想及方法，还有助于培养我们的实验能力、科学态度。因而，对物理的“加速度与力、质量的关系”实验进行探究实践，具有十分重要的现实意义。

1.平衡滑动摩擦力

平衡摩擦力是影响“加速度与力、质量的关系”实验误差的一项重要因素。自理论层面而言，小车下滑力所需平衡的摩擦力涵盖有小车与木板之间的摩擦力和纸带与打点计时器之间的摩擦力，其中，纸带与电磁打点计时器之间的摩擦力同时形成于纸带与限位孔之间及纸带与振针之间;纸带与火花计时器之间的摩擦力知识形成于纸带与限位孔之间。然而，在具体实验操作中，可对纸带与打点计时器之间的摩擦力予以忽略，原因在于：其一，实验中仅仅为一次性调整木板的倾斜角度，也就是mgsinα=μmgcosα，该种平衡并不受小车质量的影响，因而调整小车质量便不需要再另外调节角度。然而倘若计算纸带与打点计时器之间的摩擦力，木板的倾斜角度便会伴随小车质量的转变而转变。其二，调节木板倾斜角度，从而使小车匀速运动，这一条件较为苛刻。具体实验操作中通常难以实现，均会由于倾斜角度太小或者太大而造成图像不过坐标原点。其三，因为实际实验装置稳定性有限，在不断的实验操作中，极易出现垫片与模板相对位置发生转变的情况。所以，将木板一端垫起合理的高度，将纸带及玛法予以撤去，轻推小车，观察小车做缓慢匀速运动与否，是较为理想、实用的实验操作方法[2]。

2.小车质量M与小盘质量m的关系

首先，针对“加速度与力、质量的关系”实验条件必须满足m远远小于M的问题。通过平衡滑动摩擦力后，F拉便是小车受到的合外力。如何计算F拉，并确保其维持不变便是实验操作的又一大重点。一般而言，是引入跨过定滑轮细线悬挂的小盘的重力mg趋近于代替F拉，也就是F拉≈mg.如此一来，要如何创造该种趋近于代替的条件呢？

如图1所示，小车M与小盘m在实验操作中形成连接体，因而结合牛顿第二定律而言，可得出F拉=Ma及mg-F拉=Ma，结合以上公式F拉=Ma及mg-F拉=Ma，进一步可得出F拉=M·mg/（M+m）=mg/（1+m/M）

图1

其次，是否探究每一个“加速度与力、质量的关系”实验均需要满足m远远小于M的条件。显然答案是否定的，倘若小车受到的拉力值可精确测量出，则无需满足m远远小于M这一条件。好比，通过将一个力传感器装置于小车上，便可利用计算机精确测量出拉力值，而不再受到m远远小于M该条件的制约。又好比，可借助如图2所示的操作，将一端装置有定滑轮的木板固定于水平桌面上，另一端专职打点计时器，平衡滑动摩擦力后，再选取绕过定滑轮、动滑轮的细线使小车与弹簧测力计实现连接，动滑轮下方悬挂有质量可变化的小重物，将穿过打点计时器的纸带与小车进行连接，接通打点计时器，放开小车，对滑轮质量及滑轮摩擦均予以忽略不计，则弹簧测力计的显示数值便是绳子的拉力，这个过程中同样无需满足m远远小于M的条件。

图2

3.利用图像法处理及分析实验结果

依据控制变量法，反复改变m或M，可逐一获取4～5组数据，再对应绘制a-F图、a-1/M图。如图3所示，结合牛顿第二定律F=ma可得出，a与F呈正相关关系，因而理论上而言a-F图像应当是过坐标原点的倾斜直线。不过，在F偏大时，图像却会出现弯曲情况。

图3

结合以上公式F拉=Ma及mg-F拉=Ma，可得出小车实际加速度：a=mg/（M+m），倘若其中M保持不变，在m远远小于M时，则F拉=M·mg/（M+m）=Mg/（1+m/M）

如图4所示，a-F图像存在横轴截距，换而言之，在F拉偏小时，小车依旧保持静止，F拉满足相应条件时小车方可运行。所以，截距的存在时由于未能平衡摩擦力。在小车运动后，再依据牛顿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，图4的斜率意味着小车质量的倒数，横轴截距反映的是滑动摩擦力大小，纵轴截距反映的是由滑动摩擦力对应形成加速度的大小。相同的，还可运用上述方法对a-1/M图像弯曲原因进行探究解析。

图4

4.结束语

总而言之，在高中物理实验学习过程中，我们不仅要提高学习效率，消除焦躁心理，还要深入了解物理实验的原理、规律，奠定良好的理论基础，提高对知识结构建立的有效重视。结合平衡滑动摩擦力、小车质量M与小盘质量m的关系、利用图像法处理及分析实验结果等角度的实验变化，我们可有效得出不管是哪一种变化其本质仍旧是在原本物理实验基础上的优化创新，不论是哪一个角度均离不开原本实验的基本内容。结合本文对“加速度与力、质量的关系”实验的梳理过程，高中物理实验并非不可战胜，只要我们不断总结，不断探索，明确物理实验学习的方向，做到举一反三，梳理物理学习的有效信心，便可真正意义上提高我们对物理实验的学习质量、学习效率。

参考文献

[1]毛中峰.高中物理探究实验教学和科学探究精神——从《探究加速度与力、质量的关系》培养科学探究精神[J].科学大众（科学教育），2012，11（02）：254-254.

[2]朱崇军.“探究性实验”教学中应注意的三个策略——以《实验：探究加速度与力、质量的关系》为例[J].湖南中学物理，2014，11（04）：162-163.

[3]蒋天林.理解原理精彩变化提升能力——“探究加速度与力、质量的关系”实验题的拓展变化[J].中学物理教学参考，2016，09（11）：116-120.

作者简介：李雨轩（2000.11——），女，汉族，河南周口人，焦作十一中学高三（五）班学生，研究方向：物理