郭海軍

在新人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修1中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的位置是高中物理教材必修一第四章第二節(jié)《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》。很明顯，新課改將這部分內(nèi)容單列出來(lái)，體現(xiàn)了新課改下對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)的重視。

在本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，課本先講述了如何利用圖像判斷兩個(gè)物理量之間是正比例關(guān)系還是反比例關(guān)系。而這個(gè)技巧正是同學(xué)們以后在工作學(xué)習(xí)中非常實(shí)用的處理數(shù)據(jù)的技巧和方法。

接下來(lái)課本給同學(xué)們提出兩個(gè)問(wèn)題：

1.怎么樣測(cè)量或比較物體的加速度？

2.怎樣測(cè)量并提供物體所受的恒力？

用這兩個(gè)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、設(shè)計(jì)。這會(huì)引導(dǎo)學(xué)生在以后的實(shí)驗(yàn)及學(xué)習(xí)當(dāng)中進(jìn)行類似的思考和設(shè)計(jì)。

雖然在課本中除了列出來(lái)的兩個(gè)參考案例外并沒(méi)有明文告訴我們更多的方法和實(shí)驗(yàn)方案，但是有如下文字“如何......有很多可行的方法，下面案例中的方法可供選用，也可設(shè)計(jì)其他方法?！边@就是說(shuō)，同學(xué)們可以天馬行空地發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力，只要是能探究出來(lái)物體的加速度、受力和質(zhì)量三者之間的關(guān)系，并且合理可行，那同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)方案就可以用來(lái)做這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。換言之，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是開(kāi)放性的，鼓勵(lì)利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器、鼓勵(lì)有創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)就對(duì)幾種典型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)總結(jié)如下：

一、利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)

1、氣墊導(dǎo)軌的原理：氣墊導(dǎo)軌是一種比較新型的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖所示，它替代了傳統(tǒng)的木板（或?qū)к墸ㄟ^(guò)鼓風(fēng)機(jī)的作用，在軌道和滑片（起到傳統(tǒng)的滑塊的作用）之間形成了一層極薄的空氣層，就像氣墊船行駛在水面上一樣，滑片就會(huì)飄在空氣層的表面，這樣便極大的減小了軌道對(duì)滑片的摩擦力，從而使得在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中影響實(shí)驗(yàn)精度的摩擦力的干擾大大削弱，使得實(shí)驗(yàn)精確度得到極大程度的提高。今年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度提升，和各個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化，有相當(dāng)一部分的學(xué)校已經(jīng)能用氣墊導(dǎo)軌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木板做實(shí)驗(yàn)了。

2、利用氣墊導(dǎo)軌測(cè)量滑片的加速度：

在導(dǎo)軌上設(shè)置兩個(gè)間距為S的光電門(mén)，將滑片上面的擋光片的寬度我們標(biāo)記為ΔL，讓滑片依次通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)，將先后通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間記為Δt1、Δt2，則我們可以按照以下的方法求出滑片的加速度：

先求出滑片通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的瞬時(shí)速度分別為v1=、v

2=，然后利用? 可以求出來(lái)滑片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的

加速度大小。

3、利用控制變量法完成剩余的實(shí)驗(yàn)步驟，驗(yàn)證加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。

二、利用DIS系統(tǒng)完成牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)

1、DIS是Digital Information System的縮寫(xiě)，指的是數(shù)字化信息技術(shù)。DIS的基本機(jī)構(gòu)有傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)，在現(xiàn)代技術(shù)中，幾乎所有的物理量都可以利用傳感器測(cè)量得到，如力、壓強(qiáng)、溫度、電流、光強(qiáng)、位移、速度等等，數(shù)據(jù)采集器采集得到的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，便可以由事先編輯好的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行加工整理，得到我們想要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

利用DIS做實(shí)驗(yàn)有很多的好處：節(jié)省時(shí)間，測(cè)量便捷，數(shù)據(jù)處理精度高、速度快。而且，對(duì)于這樣的儀器學(xué)生具有非常濃厚的興趣。只是DIS系統(tǒng)對(duì)于一般的學(xué)校而言是很奢侈的，因?yàn)檫@套系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而且極易由于操作不當(dāng)而損壞，所以開(kāi)設(shè)的面并不是很廣，但是相信在不久的將來(lái)，這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入我們每個(gè)物理課堂。

2、本實(shí)驗(yàn)中用到的傳感器有位移傳感器和力傳感器。

將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)用于驗(yàn)證牛頓第二定律的裝置如下圖所示：

用力傳感器做這個(gè)實(shí)驗(yàn)就避免了在本實(shí)驗(yàn)中由于細(xì)線拉力與砝碼質(zhì)量不相等而帶來(lái)的誤差，也無(wú)需在實(shí)驗(yàn)中考慮砝碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量這一條件，使我們?cè)趯?shí)驗(yàn)當(dāng)中更容易控制實(shí)驗(yàn)條件，而且得到更加精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而利用位移傳感器做牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏屛覀儗?duì)加速度的測(cè)量更加精確，而且不需要我們利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打紙帶，也避免了紙帶上的計(jì)算而帶來(lái)的誤差，減少了大量的工作量。如果將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置結(jié)合起來(lái)的話，將會(huì)使我們的實(shí)驗(yàn)難度大大降低，實(shí)驗(yàn)精度大大提高。

而且近幾年在高考實(shí)驗(yàn)題的考察中，對(duì)于傳感器的應(yīng)用的考察大大的增多，所以我們?cè)诮虒W(xué)的過(guò)程中對(duì)于這方面的知識(shí)要有針對(duì)性的予以補(bǔ)充。

三、對(duì)新教材中牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案

在新教材課本上給出的實(shí)驗(yàn)方案有一些不盡如人意的地方，現(xiàn)在我就對(duì)這些地方做一些適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中不方便控制的一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件：小車(chē)和里面砝碼的總質(zhì)量要遠(yuǎn)大于懸掛的砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量。在我們做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，總會(huì)發(fā)現(xiàn)，剛開(kāi)始的時(shí)候可能能保證勉強(qiáng)滿足，可是當(dāng)我們?cè)黾禹来a盤(pán)中的砝碼質(zhì)量后，多改動(dòng)幾次，然后這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件就不再滿足了，所以在我們描點(diǎn)作圖之后就會(huì)得到如圖所示的圖像：

對(duì)于這種現(xiàn)象，我將實(shí)驗(yàn)的方法做了一些改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)的裝置圖如下：

（1）如圖安裝實(shí)驗(yàn)儀器，用到的儀器有：一端帶有定滑輪的長(zhǎng)木板或軌道、小車(chē)一個(gè)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器以及紙帶、沙桶及細(xì)砂若干，將小車(chē)和沙桶用細(xì)線連接，細(xì)線跨過(guò)定滑輪。

（2）將帶掛輪的長(zhǎng)木板的一端墊高，使之與水平方向構(gòu)成一定的夾角，在沙桶中放入一定量的沙，隨后將小車(chē)由靜止釋放，仔細(xì)觀察小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況，看小車(chē)是否能夠沿斜面勻速下滑。如果不能，則改變沙桶中沙的質(zhì)量，直到沙桶的重量能夠保證小車(chē)沿斜面勻速下滑。這樣做的目的，是為了保證小車(chē)重力沿斜面向下的分力能夠等于小車(chē)受到的摩擦力和沙桶及沙的重力之和，即

然后斷開(kāi)小車(chē)和沙桶的細(xì)線，則此時(shí)，小車(chē)受到的合外力就等于沙桶及沙的重力mg，然后打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量出來(lái)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度。用天平測(cè)量出來(lái)沙桶及沙的總質(zhì)量，再用加速度為縱坐標(biāo)，mg為橫坐標(biāo)畫(huà)出平面直角坐標(biāo)系，則圖線在誤差范圍內(nèi)必然是一條直線。

通過(guò)這個(gè)方法就可以消除砝碼盤(pán)和內(nèi)部砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)和小車(chē)內(nèi)部砝碼的總質(zhì)量這個(gè)難控制的實(shí)驗(yàn)條件對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響，盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差。