用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系的实验器材改进与创新

温 敏

（广东省开平市忠源纪念中学，广东 江门 529300）

1 教材参考案例：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系

1.1 实验器材

小车、打点计时器、纸带、复写纸、一端带定滑轮的长木板、低压交流电源、细绳、木块、钩码、重物、导线、天平、夹子、刻度尺.

1.2 实验操作

（1）平衡阻力：如图1所示，取下钩码，将木板上安装打点计时器的一端慢慢垫高，轻推小车，直至纸带上打出的点距离基本相等，有Mgsinθ=f+mg.

图1 平衡小车阻力示意图

（2）如图2所示，挂上钩码，将小车由静止释放，小车和钩码一起做匀加速直线运动，并打出纸带.小车运动时，有mg=（m+M）a，则小车受的拉力当M≫m时，有F≈mg，即拉力大小近似等于钩码的重力.

图2 小车加速运动受力示意图

（3）保持小车质量不变，通过改变钩码的个数可以成倍地改变小车所受的拉力，选择较理想的纸带，利用Δx=a T2及逐差法求a，作出a F的关系图，根据图像得出实验结论；保持小车受的拉力不变，通过增减小车中的重物改变小车的质量，选择较理想的纸带，利用Δx=a T2及逐差法求a，作出的关系图，根据图像得出实验结论，最后总结a与F、M的关系.

1.3 实验不足之处

（1）实验须平衡阻力.

（2）钩码的质量要远小于小车的质量，即m≪M.

2 实验器材改进与创新

下面的实验通过对阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系的实验器材改进与创新，使实验原理得以改进与创新.

2.1 实验1：利用参考案例的实验器材改进与创新实验

2.1.1 实验器材

在参考案例的实验器材基础上，在长木板底部安装一块海绵（缓冲作用）.

2.1.2 实验操作

（1）平衡系统：挂上钩码，将木板上安装滑轮的一端慢慢垫高，轻推小车，直至纸带上打出的点距离基本相等为止.小车受力如图3所示，有mgsinθ=f′+mg.

图3

（2）剪断细线，小车由静止开始沿着长木板向下做匀加速直线运动，并打出纸带.小车受力如图4所示，小车所受的拉力F=Mgsinθ-f′=f′+mg-f′=mg，则有F=mg，小车所受的拉力大小等于钩码的重力.

图4

2.1.3 实验改进与创新之处

实验时，钩码的质量无须远小于小车的质量，小车所受拉力的大小等于钩码的重力.

2.2 实验2：利用力传感器改进与创新实验

2.2.1 实验器材

在参考案例的实验器材基础上，增加一个力传感器.

2.2.2 实验操作

先取下细绳和钩码，把长木板左侧适当垫高，平衡阻力.如图5所示，挂上钩码，将小车由静止释放，小车在拉力F作用下做匀加速直线运动，拉力由力传感器读出，然后按参考案例的实验操作（3）进行操作，作出的关系图，总结a与F、M的关系.

图5

2.2.3 实验改进与创新点之处

（1）小车所受的拉力由力传感器测量.

（2）钩码的质量无须远小于小车的质量，也无须测钩码的质量.

2.3 实验3：利用弹簧测力计改进与创新实验

2.3.1 实验器材

在参考案例的实验器材基础上，增加轻滑轮、弹簧测力计.

2.3.2 实验操作

先取下细绳，将长木板的左侧适当垫高，平衡阻力.如图6所示，挂上钩码，将小车由静止释放，小车在拉力F作用下做匀加速直线运动，拉力由弹簧测力计读出，然后按参考案例的实验操作（3）进行操作，作出的关系图，总结a与F、M的关系.

图6

2.3.3 实验改进与创新之处

（1）小车所受的拉力由弹簧测力计测量.为了更准确地测拉力，可用力传感器取代弹簧测力计.

（2）钩码的质量无须远小于小车的质量，也无须测钩码的质量.

2.4 实验4：利用光电门和弹簧测力计改进与创新实验

2.4.1 实验器材

小车、遮光片、光电门（2个）、游标卡尺、钩码、刻度尺、一端带定滑轮的木板、轻绳、轻滑轮、弹簧测力计、木块.

2.4.2 实验操作

取下细绳，将长木板的左侧适当垫高，平衡阻力.如图7所示，将小车由静止释放，小车在拉力F的作用下做匀加速直线运动，先后通过光电门A、B，用刻度尺测出A、B的距离为L，与光电门连接的数字计数器可以测量小车经过光电门A、B所用的时间分别为tA、tB.小车受的拉力由弹簧测力计读出，用游标卡尺测遮光片的宽度d，小车经过A、B时的速度分别为vA、vB，则有由得，然后按参考案例的实验操作（3）进行操作，作出的关系图，总结a与F、M的关系.

图7 应用光电门与测力计的实验装置

2.4.3 实验改进与创新之处

（1）改进了实验原理，用光电门代替打点计时器，遮光片结合光电门测得滑块的初、末速度，由运动学公式求出加速度.

（2）小车所受的拉力由弹簧测力计测量，为了更准确测拉力，可用力传感器取代弹簧测力计.

（3）钩码的质量无须远小于小车的质量，也无须测钩码的质量.

2.5 实验5：利用光电门、力传感器和气垫导轨改进与创新实验

2.5.1 实验器材

钩码、力传感器、带刻度尺的气垫导轨、光电门、遮光片、滑块、游标卡尺.

2.5.2 实验操作

将带遮光片的滑块由静止释放，小车在拉力F作用下做匀加速直线运动，与光电门连接的数字计数器可以测量小车经过光电门所用的时间t.如图8所示，小车受的拉力由力传感器测出，从刻度尺读出滑块的位移L，用游标卡尺测遮光片的宽度d，小车经过光电门时速度，由v2=2a L得即然后按参考案例的实验操作（3）进行操作，作出的关系图，总结a与F、M的关系.

图8 应用光电门与气垫导轨的实验装置

2.5.3 实验改进与创新之处

（1）改进了实验原理，用光电门代替打点计时器，遮光片结合光电门测得滑块的末速度，在刻度尺上读出滑块运动的位移，用运动学公式求加速度.

（2）用气垫导轨代替长木板，无须平衡阻力.

（3）滑块受的拉力由力传感器测出.

（4）钩码的质量无须远小于滑块的质量，也无须测钩码的质量.

2.6 实验6：利用位移传感器和力传感器改进与创新实验

2.6.1 实验器材

小车、位移传感器、力传感器、钩码、一端带定滑轮的木板、轻绳、砝码、木块.

2.6.2 实验原理

取下轻绳，再将长木板的右侧适当垫高，平衡阻力.如图9所示，将位移接收器与计算机相连，开启位移传感器的发射器电源，将小车由静止释放，小车在拉力F作用下做匀加速直线运动，拉力由力传感器测出，位移传感器测出小车的运动时间为t、位移为L，根据得然后按参考案例的实验操作（3）进行操作，作出a-F、的关系图，总结a与F、M的关系.

图9 应用位移传感器的实验装置

2.6.3 实验改进与创新之处

（1）改进了实验原理，用位移传感器代替打点计时器测出位移，用运动学公式求加速度.

（2）用力传感器测小车受的拉力.

（3）钩码的质量无须远小于小车的质量.

通过对用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系的实验器材改进与创新，在改进了实验原理的基础上也创新了实验原理，有效地提升了实验的质量与效果.