《探究加速度与力、质量的关系》教学实验方案设计

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《牛顿第二定律》是动力学的核心规律，是牛顿运动定律的重点和中心内容。加速度与力、质量的定量关系规律——《牛顿第二定律》，需要在探究加速度与力、质量的定量关系的实验成功的基础之上总结得出，才是顺理成章、水到渠成的结论。

普通高中新课程标准实验教科书物理（必修1）第四章第二节——《探究加速度与力、质量的关系》的实验方案，教科书提供了两个参考方案：（一）用悬吊重物的方法同时拉光滑水平面上的两个小车，用刻度尺测量两个小车在相同时间里通过的位移，其位移之比等于它们的加速度之比；（二）用悬吊重物的方法拉倾斜面上的一个小车，用打点计时器直接测量加速度。笔者教学时的实验方案是这样设计的：将两个光电门安装在距离为s的水平气垫导轨上，让滑块在恒定水平拉力作用下从其中一个光电门处由静止出发向另一个光电门方向做匀加速直线运动，用数字毫秒计时器测出滑块在两个光电门之间运动的时间t，再根据s=■at■即可算出滑块的加速度；滑块的质量用天平称量；滑块所受外力的大小在误差范围内近似等于拖动滑块的“小重物”重力的大小（条件是“小重物”的质量要比滑块的质量小很多）。

其具体操作分为三步：

一、控制物体（滑块）的质量不变（M=0.60kg），探究加速度与力的关系的实验数据记录如下表：

1.作出与F的函数图像；

2.学生归纳实验结论：在物体质量一定时，物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比。

二、控制物体（滑块）所受的外力不变（F=0.10N），探究加速度与质量的关系的实验数据记录如下表：

1.作出相应的函数图像；

2.学生归纳实验结论：在物体受到的作用力一定时，物体加速度的大小跟它的质量成反比。

三、由学生根据一、二的结论归纳得出物体加速度与力、质量的关系：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的质量成反比。

实验方案反思：

教材提供的方案（一）中的“光滑水平面上”是一种理想化的模型，本实验方案用水平气垫导轨等效替代光滑水平面，是对学生进行科学技术革新，创造条件把实际问题模型化的一次科学观、模型观的思想教育。

该实验方案的系统误差主要源于实验条件的控制。控制条件一：气垫导轨的水平调节；控制条件二：“小重物”的质量要比滑块的质量小很多（一般要求滑块的质量比“小重物”的质量至少大十倍以上）。

用该实验方案教学《探究加速度与力、质量的关系》，在绝大多数学校的实验室应该具备所需的实验器材和实验条件，实验可操作性强，定量效果好。其中实验数据的处理和函数图像的描绘，若由计算机辅助完成则会收到事半功倍的效果，从而提高课堂教学的有效性。

基金项目：遵义师范学院基础教育课题基金资助项目（2013ZYJ065）。