尹凤

摘 要： 探究加速度與力、质量的关系实验在高中物理教学中占据重要地位，在我国及英、美等高中物理教材中，均有对此实验详尽的定性的探究，但是在测量的过程中，由于实验操作难，系统误差大，实验结果不理想，笔者结合数学的三角函数相关知识，通过生活中易取得的实验器材的设计改装，改装新的仪器并运用一种新的方法来完成该实验。

关键字：加速度 合外力 实验改进

探究加速度与力、质量的关系实验在高中物理教学中占据重要地位，是高中物理教学中的重点实验，是高考重点考察实验，也是牛顿力学中的一个重要实验，在我国及英、美等高中物理教材中，均有对此实验详尽的定性的探究，虽然方法不尽相同，但是基本思想相同。都是用不同种的方法对物体的合外力及加速度进行测量，进而通过描点作图或者 Excel 表格进行数据处理，最终得出结论。

但是在测量的过程中，由于实验操作难，系统误差大，对实验器材的要求等不同，使得无论是在做课堂演示实验，还是学生在实验室完成实验的结果都并不是很理想。 因此，笔者期望选用身边较易得到的物体作为实验器材，提出了来对本实验进行改进的新方法。以期在实验演示教学中能够取得良好的效果。

一、实验改进的背景

牛顿第二定律是在实验基础上建立起来的重要规律，也是动力学的核心内容。是牛顿第一定律的延续，是整个动力学理论的核心，在高中物理的学习中占据重要和中心地位，是沟通运动学和动力学的桥梁，是经典牛顿力学的一大支柱。实验探究力、加速度、质量三个物理量之间的定量关系，是学习牛顿第二定律的基础，因此对此实验的探究至关重要。

该实验是高中物理课程中的一个重要的探究性实验，实验在教材中安排在学习牛顿第二定律之前，在内容上具有承上启下的作用，在学习了受力分析、平衡态、牛顿第一定律之后，探究加速度与力、质量的关系是认知过程的必然，又是验证牛顿第二定律的实验基础，所以该实验成功与否对今后的学习至关重要。

对于该实验的设计与改进有太多的人进行了尝试， 笔者意在探索简便易演示的实验仪器，在高中生已有的知识体系中，结合数学的三角函数相关知识，通过生活中易取得的实验器材的设计改装，改装新的仪器并运用一种新的方法来完成该实验。

二、改进实验的创新点

在做实验改进之前，笔者认真查阅了相关资料， 该实验在 6 本不同版本教科书（我国的人教版教材、鲁科版教材、沪科版教材、新人教版教材、英国的A-LEVEL 教材、美国的 SAT 教材）中的均有涉及。 其中我国的教材中以打点计时器测量加速度、钩码所受的重力充当小车的合外力为主进行该实验的探究，因实验设计中重力不等于小车合外力而具有系统误差外，实验的操作过程中，平衡摩擦力操作难、结果不精确、纸带与打点计时器摩擦较大等因素，导致实验结果并不理想。

在国外的教材中，通过光电门、数字计数器、笔记本电脑来完成该实验，由于钩码的重力与拉力不等带来的系统误差仍旧不能消除，且由于挡光片有一定的宽度，所以计算瞬时速度时带来的误差也比较大。所以实验结果仍旧不理想。

怎样能够直接测量合外力？怎样能够更好的平衡摩擦力？检索到相关主题论文及专利近上百篇，其中比较创新且具有深入研究价值的共有5篇，简要综述如下：毕强的《牛顿第二定律验证性实验的改进设计》，通过马达及控制电路来改变物体所受的合外力，通过三角函数及理论计算算取斜面倾角，通过调节角度来实现平衡摩擦力，运用频闪照片的方法来求解加速度;郑燕熙，林剑锋的《验证牛顿第二定律实验的改进方法》通过转换研究对象，消除系统误差，利用力学传感器来测量合外力，使得所测合外力更精准，但是对于摩擦力的平衡仍旧是该实验操作的难点;汪秋萍的《牛顿第二定律演示实验的改进》设计了双导轨，电磁开关保证辆小车同时由静止开始运动，数码相机拍下小车运动的全过程，然后读取数据进行数据处理，轨道的调整也是本实验的一个难点， 凭直觉判断小车，是否匀速下滑是很困难的;胡琦珩、丁益民的《利用智能手机验证牛顿第二定律》运用手机APP SPARKvue进行加速度的测量，通过origin软件绘制图像。该实验虽然消除了加速度测量过程中的误差，但是合外力的测量及摩擦力的平衡仍旧存在问题。

通过对资料的查找及解读， 笔者决定运用以下方法来探究该实验， 一是对物体进行受力分析，运用正交分解及数学知识得出合外力与斜面倾角的关系，通过改变斜面倾角来改变合外力; 二是通过智能手机所带的 APP phyphox 测量加速度; 三是运用 Excel 表格进行数据处理，最终得出结论。

三、改进实验的实验过程

关于实验原理的改进：一是通过计算实现测量角度代替合外力来完成合外力的测量，;二是我们采用苹果手机（6plus）的APP phyphox进行加速度的测量。提高了加速度测量的精度;三是用Excel表格处理数据实验过程中进行了两种探究，保持质量不变，探究加速度与合外力之间关系和保持合外力不变，探究加速度与质量的关系，实验数据教教材数据来说误差更小，更加精确。

四、改进实验与个版本教材实验的对比结果

通过对比，改进的实验更具优势，一是实验仪器取材简便，只需要智能手机及木块即可完成实验的测量;二是测量过程无合外力的测量带来的系统误差。平衡摩擦力只需一次，减小实验的复杂性;三是实验更加精确可重复操作性强;四是降低了实验仪器成本，且趣味性上更具优势;五是结合学生所学数学知识进行理论计算，增强学科联系，能够将所学知识学以致用;六是实验数据采用EXCEL图表进行处理，增强现代信息手段在基础教育领域的应用。

参考文献

1.毕  强  牛顿第二定律验证性实验的改进设计  物理通报    2012年第8期

2.郑燕熙  验证牛顿第二定律实验的改进方法  湖南中学物理  2015年第4期

3.汪秋萍 牛顿第二定律演示实验的改进 中小学实验与装备    2011年第2期

4.胡琦珩  利用智能手机验证牛顿第二定律  物理教师        2017年第10期

5.刘茂军   基于传感器的牛顿第二定律实验设计与研究       2014年2月

6.Edexcel AS/A-LEVEL physics （2015） student book

7.人教版、鲁科版教材

8.Barrons SAT Subject Test in Physics9DD695EF-4B83-42F6-A371-9E3DB9C09B47