侍 躍

(江蘇省灌云高級中學(xué) 222220)

探究性實驗是以有待探究的問題為中心，按實驗方案設(shè)計、實驗操作和數(shù)據(jù)處理三個模塊解決中心問題.在高中物理實驗“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”中，問題解決對應(yīng)模塊是：一是恒力的提供與測量、加速度的測量，二是實驗操作，三是實驗數(shù)據(jù)的處理.在這三個模塊中很顯然恒力的提供居于核心地位！

圖1

用如圖1所示實驗裝置“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系(已經(jīng)平衡摩擦力)，設(shè)鉤碼質(zhì)量為m,小車質(zhì)量為M,繩子拉力為T,對鉤碼分析有：mg-T=ma,對小車分析有：T=Ma,聯(lián)立可解得：

由此我們可以得出只有當(dāng)m?M這一條件時繩上拉力才近似等于鉤碼的重力，在實驗中數(shù)據(jù)處理時就可以用鉤碼的重力表示小車受到的合外力，我們追本溯源，透過現(xiàn)象找本質(zhì)，也就是說我們可以直接得到繩上的拉力，這個實驗也就不需要滿足m?M這個條件了.本文以三類情況為例，對此點進(jìn)行梳理，以期達(dá)到有助于學(xué)生對此實驗的理解.

一、以平衡獲知小車的恒力

例1 在“探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系”實驗時，某興趣小組對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行改進(jìn)，其實驗操作步驟如下：

圖2

(1)如圖2，把砂和砂桶整體通過滑輪掛于小車一端，調(diào)節(jié)長木板右端傾角θ，保證小車沿斜面做勻速直線運動，稱量出砂和砂桶的總質(zhì)量m.

(2)保持長木板傾角θ不改變，拿去砂和砂桶，小車就會在長木板上向下做勻加速直線運動，通過紙帶處理，計算出小車下滑的加速度a.

(3)確保小車質(zhì)量M不變，改變砂和砂桶的質(zhì)量m，然后重復(fù)(1)(2)兩步操作，計算出小車加速度與合力關(guān)系.

(4)再改變小車的質(zhì)量，保證砂和砂桶的總質(zhì)量m不變，重復(fù)(1)(2)兩步操作，計算出小車加速度和質(zhì)量的關(guān)系.

問：在本實驗中需要不需要滿足砂和砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量？

解析小車沿長木板向下加速運動時所受的合外力就是砂和砂桶的總重力，這道實驗中的研究對象是小車，因此， 實驗中不必使砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量.

點評在操作(1)中，對小車分析有Mgsinθ=f+T，對砂和砂桶分析有T=mg，則Mgsinθ=f+mg.

在操作(2)中對小車分析有F合=Mgsinθ-f，所以F合=mg，即小車所受的合力大小等于mg.

不需要滿足砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量M.本題綜合能力強，在平衡基礎(chǔ)上結(jié)合牛頓定律，培養(yǎng)學(xué)生對陌生綜合題型的分析能力.

二、以彈簧測力計(力傳感器)讀數(shù)獲知小車恒力

例2某實驗小組用如圖3所示裝置探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系，一端帶滑輪的長木板和彈簧測力計都水平固定.

圖3

問：實驗中是否控制砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？

解析繩子拉力可以由彈簧測力計讀出，無需要求砂和砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，

例3 某試驗小組利用拉力傳感器來探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系，實驗裝置如圖4所示.將拉力傳感器固定在小車上，用細(xì)線將拉力傳感器通過一個定滑輪與鉤碼連接.傳感器可以記錄小車受到細(xì)繩的拉力F的大小；長木板右端固定一打點計時器，通過連接在小車后面的紙帶，可得到小車勻加速運動的速度與加速度.

圖4

問：實驗中是否控制砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？

解析拉力傳感器測出的拉力F就是繩子拉力的準(zhǔn)確值，無需滿足鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量.

點評例2在實驗器材上利用動滑輪和彈簧測力計的組合，可以直接讀出小車的拉力，例3在實驗裝置上利用拉力傳感器直接讀出小車的拉力，這一情景相對清楚，比常規(guī)實驗更準(zhǔn)確得到繩子拉力，實驗引入新時代信息元件，對學(xué)生適應(yīng)新事物的靈活應(yīng)變力有很大的幫助.

三、以整體思想獲知系統(tǒng)的恒力

例4 某興趣小組利用如圖5所示實驗裝置來探究加速度與質(zhì)量和力的關(guān)系，其實驗步驟如下：

圖5

(1)連接好裝置，把長木板不帶滑輪的一端抬高，使小車?yán)垘а亻L木板能夠勻速下滑；

(2)取四個相同的砝碼全部放在小車上，在砝碼盤上放上一個砝碼，通過紙帶測量小車的加速度；

(3)每次把小車上砝碼取一個放到砝碼盤中，重復(fù)實驗，測量小車加速度.

問：本實驗中小車總質(zhì)是否需要遠(yuǎn)大于砝碼盤及砝碼的總質(zhì)量？

解析這個實驗以整體為研究對象，既把小車，砝碼盤，砝碼看成一個整體，每次雖然在砝碼盤上增加砝碼，但是三個總量不變，因此，這個實驗不需要滿足傳統(tǒng)實驗的小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量這一必須條件.

點評本實驗題抓住了整體的質(zhì)量不變這一因素，跳出研究細(xì)繩拉力這一困惑的思想 .這對學(xué)生閱讀分析題意能力要求比較高，能明確此時繩子上的力是系統(tǒng)內(nèi)力，抓住題意研究整體加速度.

在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗中要想細(xì)繩的拉力近似等于小盤及砝碼的總重力，只有滿足砝碼盤及砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時．本文從實驗裝置的改進(jìn)，設(shè)計的創(chuàng)新，原理的交換等三個方向展開，再回歸原有的實驗基本思想.要求我們老師在教學(xué)過程中追本溯源，幫助學(xué)生跳出題海，透過現(xiàn)象找出實驗本質(zhì).提高學(xué)習(xí)效率.