【高中物理教学论文】高中物理力学实验的创新

在高中物理力学实验中，牛顿第二定律及相关探究占有很大的比重，甚至牛顿第二定律是某一些物理力学实验的关键。这就要求通过不断的牛顿第二定律实验设计和操作来培养学生的创新精神。本文以基于牛顿第二定律的实验改进与创新为研究对象，对牛顿第二定律实验进行回放，在此基础上对牛顿第二定律实验的数据处理方法和实验方案设计进行迁移，实现牛顿第二定律实验的创新。

1.1实验设计

对于“探究加速度与物体质量、受力的关系”实验，高中物理教科版普通高中课程标准实验教科书物理必修1第75页有关于该实验的方案设计，如图1-1所示。

用天平测出小盘与祛码的质量m和小车(含祛码)的质量M，取下细绳，平衡摩擦力后，对整体：

当 时，小车所受合力 ，于是得到实验必须满足的近似条件，然后用控制变量法分别探究a与F及M的关系，但是不能避免实验原理带来的系统误差。

1.2实验创新

如图1-2所示，当钩码带动滑块后，利用滑块与小车(组)间的滑动摩擦力为小车提供动力，使小车做匀加速直线运动。同时利用 可知，改变滑块的质量，即可改变小车所受动力的大小。

实验装置如图1-3所示，研究对象为固定在一起的小车组M(通过一长块有机塑料板固定)。要求：需保证滑块m与塑料板间的摩擦力大小适当，当拉动滑块后，使得它们之间相对滑动。

(1)将轨道适当倾斜某一角度 ，使小车组恰好能在轨道上近似做匀速直线运动。

(2)用天平测量出滑块的质量m，用细线连接滑块，跨过小滑轮钩住钩码(悬挂钩码的个数依滑块质量而定，以保证滑块起始就比小车组运动得快)。

(3)释放钩码，带动滑块，同时利用打点计时器测出小车组的加速度，得到一组 的数据。

(4)保持小车组质量M小变，改变滑块m的质量，重复进行实验，就能得到几组 的数据。

(5)保持滑块M的质量不变，改变小车组的质量m(向小车内增减铁块)，重复进行实验，就能得到几组a-M的数据。

实验操作获得的数据如图1-4所示。

该实验的妙处在于处理实验数据的方法(分组逐差法和图像法)、实验方案的设计(平衡摩擦力和等效拉力)、科学探究的方法，这些巧妙的方法可以迁移到其他很多实验中去。

实验中得到打点纸带后，采用了“分组逐差法”求小车的加速度，而未采用“逐项逐差法”。分组逐差法就是将小车在连续相等时间T内的位移分为两组x1，x2，x3和x4，x5，x6，对应相减得到x4-x1，x5-x2，x6-x3，分别求出

可见，逐项逐差值的算术平均值只与首尾两次测量值有关，其他测量值则在运算过程中相互抵消，从而失去了多次测量的意义。而隔3项(即n/2项)分组逐差则充分利用了所有测量数据，有效降低了偶然误差。这种“分组逐差法”也可以用来处理其他的实验数据。

2.1.2图像法

在探究加速度a与拉力F的关系时，为便于得出正确的实验结论，以a为纵坐标，F为横坐标画出a-F图像，得到一条过原点的直线，从而得出a与F成正比这一结论；在探究加速度a与质量M的关系时，以a为纵坐标，M为横坐标画a-M图像，a-M图像是一条曲线，无法根据图像判断a与M的关系，改用M的倒数 为横坐标来画图，则得到的 图像是一条过原点的直线，由此得出a与 成正比这一结论。利用图像法处理实验数据是一种最常用的重要方法。图像法能直观地反映出两个物理量间的关系、有效地减小实验误差，尤其像本实验中通过转换坐标，将图像由曲线转化为直线的方法在其他很多实验中都值得借鉴。

例如：小明要测定电源的电动势E和内电阻r。实验器材：一只DIS电流传感器(可视为理想电流表，测得的电流用I表示)，一只电阻箱(阻值用R表示)，一只开关和导线若干。小明设计如图2-1所示的电路进行实验，在实验中，他通过调节电阻箱的阻值R，采集到多组R和I的实验数据。为了较方便准确地得出实验结论，小明用图像法处理实验数据，若图像的横坐标表示电阻箱的阻值R，则图像的纵坐标表示的变量应该是（）。

可知，I与R不是一次函数关系，若以I为纵坐标，则画出的I-R图像是曲线，很难根据图像求出E和r。为此要设法寻找与R成一次函数关系的变量，从而得到直线图像。将 变形得 。再变形为

可见 与 为一次函数关系，因此，小明应以 为纵坐标， 为横坐标画 图像。

2.2实验方案设计的迁移

2.2.1等效拉力

实验中，小车做匀加速运动时，用托盘和砝码的总重力mg表示小车受到的拉力F，但这是有条件的。设绳中拉力为F，则对托盘和砝码有mg-F=Ma。对小车有解得

此式表明当m M时，F≈mg。因此，每次实验中若要用mg表示F，必须使托盘和砝码的总质量m远小于小车的质量M。

等效拉力实验方案的设计，也经常出现在其他力学实验中。例如：某研究性学习小组为探究恒力做功和物体动能变化间的关系，他们在实验室组装了一套如图2-2所示的装置。当滑块连接上纸带，用细线通过滑轮挂住空的小沙桶，释放小桶时，滑块处于静止状态。若你是学习小组中的一位成员，要完成该项实验，则

（1）实验时想用沙和沙桶的总重力表示滑块受到的合力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为在实验中应该采取的两项措施是（）和（）。

(2)在(1)的基础上，用天平称出滑块的质量M。往沙桶中装入适量的细沙，再用天平称出此时沙和沙桶的总质量m。让沙桶带动滑块加速运动，得到图4所示的一条纸带，其中A，B，C，D，E，F是连续的六个计数点，相邻计数点间的时间隔为T，相邻计数点间的距离已在图中标出。从打B点到打E点的过程中，为达到实验目的，你认为应该寻找（）和（）之间的数值关系。

解析：(1)滑块在木板上加速运动时必然受到摩擦力的作用，且细线中的拉力小于沙和沙桶的总重力。若想用沙和沙桶的总重力表示滑块受到的合力，受“探究加速度与力、质量的关系”实验设计的启发，应该采取的两项措施是“平衡摩擦力”和“使沙和沙桶的总质量远小于滑块的质量”；

(2)该实验中研究对象是滑块，因此为达到实验目的，在(1)的基础上，应该寻找细线拉力mg对滑块做的功和滑块动能变化之间的关系，即mg(x2+x3+x4)　　与 间的数值关系。

2.2.2科学探究

探究加速度a与力F、质量M的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制M不变，改变托盘和砝码的总重力mg(即改变力F)，研究a与F的关系；再控制mg不变(即力F不变)，改变M，研究a与M的关系。这种科学探究的方法在研究多个物理量间的关系时经常要用到。

例如：汽车正迅速地走进我们的家庭，研究发现，在无风状态下，汽车高速行驶时受到的空气阻力f主要与汽车正面投影面积S和汽车行驶速度v有关，通过汽车在风洞实验室模拟实验得到如表2-1所示的数据，试分析表中数据，写出汽车受到的空气阻力f与汽车正面投影面积S、行驶速度v的关系式(比例系数用k表示)。

解析：这里涉及到f，S，v三个物理量间的关系，应该利用控制变量法进行分析，先控制S不变，研究f与v的关系，可以发现f与v2成正比；再控制v不变，研究f与S的关系，可以发现f与S成正比，由此得到f=kSv2。

3实验创新

实验迁移侧重于实验原理、实验设计、实验方法的应用，实验创新则侧重于实验原理、实验设计、实验方法的改进优化，使得测量更加准确、操作更为方便，笔者在高中物理实验的教学中，作了一些创新尝试。

原实验以小车(质量为M)为研究对象，用托盘和砝码的总重力mg表示小车受到的拉力F，但事实上F总是小于mg，即使满足m M这一条件，实验的系统误差还是不可避免。要消除这种系统误差，可以利用连接体原理。把小车和托盘(包括小车上的砝码与托盘中的砝码)组成的系统作为研究对象，此时细线的张力就成为系统的内力而不必考虑，系统所受的合外力是托盘与砝码的总重力mg，系统的总质量是小车(含砝码)质量M与托盘(含砝码)质量m之和，即(M+m)，这样就把原实验改进为“探究系统加速度与力、质量的关系”了。探究系统加速度a与系统所受合外力F的关系时，必须控制系统总质量不变，可以先在小车上放几个砝码，再逐渐把砝码移到托盘中，这样既能控制系统总质量不变，又能改变每次实验的合外力，最终根据实验数据画出的a-F图像是一过原点的直线，其斜率为 ；探究系统加速度a与系统总质量(M+m)的关系时，控制托盘(含砝码)质量m不变，在小车上逐渐加砝码，以改变每次实验系统的总质量，最终应该根据实验数据画 图像，画出的图像也是一条过原点的直线，直线的斜率为mg。

实验器材：倾角可调的气垫导轨，滑块(带挡光板)，光电门1个，米尺，天平，砝码若干。实验装置简化如图3-1所示。

实验步骤：

(1)用游标卡尺测出滑块上挡光板宽度d，用米尺测出A1与A2之间的距离s。

(2)用天平测出滑块的质量M。

(3)用米尺测出A1相对于A2的高度h，则小车所受的合外力

(4)让滑块自倾斜气垫导轨上方一固定点A1由静止开始下滑至导轨底端，用光电门记下滑块通过A2时的挡光时间t，则滑块通过A2时的速度 ，小车的加速度

(5)多次在滑块上加砝码，改变滑块的质量M，同时通过改变斜面的倾角来改变固定点A1相对于A2的高度h，使M与h的乘积不变，重复步骤(2)、(4)，测出各次对应M，t的值。

(6)以M为横坐标、t2为纵坐标，根据实验数据画t2-M图像，若能得到一条过原点的直线，则可验证“当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量成反比”这一规律。

该方案利用滑块(含砝码)的重力沿斜面的分力作为滑块受到的合外力，并巧妙地通过保持M与h的乘积不变使得滑块受到的合外力不变，从而来研究合外力一定时加速度与质量的关系。若要用该方案研究质量一定时加速度与力的关系，可以多次改变固定点A1相对于A2的高度h，重复步骤(3)、(4)，测出各次对应的h，t值，以h为横坐标、 为纵坐标画 图像，若能得到一条过原点的直线，则可以验证“当质量一定时，物体的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律。

总结

高考物理实验试题的设计都是本着“来源于教材而不拘泥于教材”的原则，实验试题都是在高考物理教材中常规实验基础上的变形与创新，因而在平时的实验教学中，高考物理教师应该以常规实验的原理、方法为基础，加强对常规实验的迁移和创新方面的教学，从而培养高考学生对常规实验原理、方法的迁移和创新能力，以适应高考物理中频频出现的创新实验题。