劉暉

摘 要：在“探究加速度、質(zhì)量與力的關(guān)系”的探究實(shí)驗(yàn)方案中，用重物的重力近似代替小車(chē)加速過(guò)程中的合外力，引入了系統(tǒng)誤差，容易對(duì)學(xué)生產(chǎn)生誤導(dǎo)。通過(guò)物體的平衡條件和彈簧秤，很好地解決了這一問(wèn)題，提高了實(shí)驗(yàn)的精度。

關(guān)鍵詞：探究實(shí)驗(yàn)；加速度；力；質(zhì)量

一、問(wèn)題的提出

人教版高中物理必修1中，在“探究加速度、質(zhì)量與力的關(guān)系”的探究實(shí)驗(yàn)中，給出了如下實(shí)驗(yàn)方案：

如圖1所示，“小車(chē)放在木板上，后面固定一條紙帶，紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。把木板的一側(cè)墊高，以補(bǔ)償打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的小車(chē)阻力及其他阻力；調(diào)節(jié)木板的傾斜度，使小車(chē)在不受牽引時(shí)能拖動(dòng)紙帶沿木板勻速運(yùn)動(dòng)。測(cè)出盤(pán)和重物的總質(zhì)量，它近似等于小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的拉力。

通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度。在小車(chē)中增加重物以改變小車(chē)的質(zhì)量?！?/p>

該方案中，當(dāng)小車(chē)勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，盤(pán)和重物會(huì)勻加速下降，盤(pán)和重物處于失重狀態(tài)，盤(pán)和重物的重力大于繩子的拉力，這樣的數(shù)據(jù)處理方式，為實(shí)驗(yàn)引入了系統(tǒng)誤差，致使當(dāng)小車(chē)質(zhì)量增大到接近盤(pán)和重物的質(zhì)量時(shí)，會(huì)得到加速度不與拉力成正比的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生誤導(dǎo)。

二、改進(jìn)方案一

如圖2所示，細(xì)繩一端系在小車(chē)上，另一端繞過(guò)定滑輪后掛一個(gè)小砝碼盤(pán)。在盤(pán)中放入質(zhì)量為m的砝碼，用活動(dòng)支柱將木板固定有定滑輪的一端墊高，調(diào)整木板傾角，使得小車(chē)沿木板勻速下滑。保持木板傾角不變，取下砝碼盤(pán)，將紙帶與小車(chē)相連，并穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，釋放小車(chē)，紙帶上打下了一系列點(diǎn)跡。取下紙帶后，利用紙帶，可求出小車(chē)沿斜面下滑時(shí)加速度a。而小車(chē)的合外力，即為砝碼盤(pán)和砝碼的總重力。改變砝碼的質(zhì)量m，重復(fù)上述步驟，就能得到多組m和a。

方案中，根據(jù)物體的平衡原理，在小車(chē)沿斜面勻速下滑過(guò)程中，砝碼盤(pán)和砝碼也勻速上升，繩子拉力等于砝碼和砝碼的重力。而繩子的拉力也等于小車(chē)所受其他力的合力。通過(guò)這樣的操作，測(cè)出了小車(chē)加速下滑時(shí)的合外力，同時(shí)很好地解決了課本案例中因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引入的系統(tǒng)誤差。

三、改進(jìn)方案二

如圖3所示，平衡摩擦力之后，細(xì)繩一端系于掛在豎直向上的彈簧秤一端，繞過(guò)動(dòng)滑輪連接小車(chē)M，另一端繞過(guò)木板左端的定滑輪后系一重物，質(zhì)量為m。小車(chē)右端連接穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶。開(kāi)啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，釋放小車(chē)，快速讀出彈簧秤的讀數(shù)F，打點(diǎn)結(jié)束后取下紙帶。小車(chē)加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的合外力為F合=2F，利用紙帶求出小車(chē)的加速度。改變重物的質(zhì)量，重復(fù)上述步驟，就可得到多組F合與加速度a。

本方案中，利用彈簧秤直接精確地測(cè)出了繩子的拉力，同樣解決了課本方案中的近似所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

四、存在問(wèn)題

以上兩種方案，雖然很好地解決了課本方案中系統(tǒng)誤差的問(wèn)題，但也存在著很大的缺陷。方案一中，沒(méi)有考慮到紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔之間的摩擦力。方案二中，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短，不利于實(shí)驗(yàn)者讀出彈簧秤的示數(shù)。兩種方案都有待改進(jìn)、優(yōu)化。