再谈“探究加速度与力、质量的关系”实验方案的改进

◇ 江苏 许军楼

“探究加速度与力、质量的关系”实验是高中物理重要的力学实验之一，教材中的实验方案原理、实验条件存在一定的局限性，往往导致系统误差比较明显.笔者根据自身教学实践，在分析传统实验局限性的基础上，从“研究对象、测量手段、实验原理”等途径入手，对实验方案进行改进和优化，实现学生物理思维能力和物理学科核心素养的提高.

改进方案1 改变研究对象

物理教材中的实验装置如图1所示，加速度根据打点计时器在纸带上的点迹直接计算得出，小车的动力由悬挂物的重力提供，借助木板倾斜时小车重力的分力与摩擦力平衡，利用控制变量法探究a 与F、M之间的关系.该实验方案中系统误差来源于m ≪M(m 为砝码与砝码盘的总质量，M 为小车的质量)的情况下绳子拉力近似等于砝码和砝码盘的总重力，但是实际操作中m 不断变大时不再满足上述条件，进而出现系统误差，在图象中出现弯曲的现象.

图1

基于此，实验中以小车和钩码整体为研究对象，实验装置如图2所示，钩码的重力mg 充当整体的合外力F，小车运动的加速度显然a 与F 成正比，与M ＋m 成反比，这样无须测量绳中拉力，无需满足m≪M 的条件，系统误差被完美消除，实验大大简化，操作性变强.但是此方案存在一定的缺点，学生对实验原理的理解存在一定的困难.

图2

改进方案2 改变测量手段

教材中的实验设计方案建立在m≪M 的条件下，绳中拉力近似等于砝码和砝码盘的总重力.基于此，可以引入弹簧测力计直接测出绳中拉力大小，改变盘中砝码个数来改变绳中拉力，改变小车受到的合外力，进一步讨论小车加速度与合外力之间的关系.此方案无须满足m≪M 的条件，完美克服原实验原理中存在系统误差的缺陷，实验装置如图3所示.

图3

但是此实验方案也存在明显缺点：1)实际实验操作中，弹簧测力计的读数具有较大的不稳定性，弹簧测力计读数带来的偶然误差较大；2)该装置无法实现F 一定时，a 与M 之间关系的探讨，因为改变M 时整体加速度也发生改变，难以实现绳中拉力F 为定值.当然在改变测量手段的优化方案中，还可以引入传感器进行实验，克服弹簧测力计和打点计时器带来的影响，实验装置如图4所示.

图4

改进方案3 改变实验原理

上述几个改进实验方案中均以小车与砝码盘(含砝码)整体为研究对象，细绳牵引小车做匀加速直线运动，借助实验仪器测量相关量进行实验探究.这里还可以借助气垫导轨、滑块和光电门等实验仪器，从实验的原理上进行改进设计，如图5所示.

图5

弹簧测力计的读数表示滑块的合外力F 的大小，剪断细线后滑块沿着斜面匀加速下滑过程中，遮光片通过光电门可以记录时间，通过数据处理得出加速度的大小；滑块合外力的大小取决于导轨的倾角变化，滑块质量变化可以借助配重片的添加与减少来实现，另外可以用游标卡尺测出遮光片的宽度d.此实验方案中弹簧测力计直接读出滑块合外力的大小，无系统误差；利用光电门与数字计时器所得数据可以得到加速度的大小(误差比较小).a 与F、a 与M 之间关系均可探讨，整体实践操作具有实用性和实效性.

总而言之，物理实验方案的优化是物理教师思考的重要问题，作为一线物理教师，在平时的课堂教学中，应该关注物理实验资源价值的挖掘，通过实验方案的优化，不断提升实验的实用性，进而促进学生物理学科核心素养的提升.