物理必修12 实验：探究加速度与力、质量的关系课时作业

备课资料

    一、实验分析与学生分析

    牛顿第二定律是动力学的核心规律，是本章重点和中心内容，而探究加速度与力和质量的关系是学习下一节的重要铺垫.该实验的器材选取、方案设定，因第二章使用过，学生自然会想到用该器材测加速度.但测力有一定困难，还需平衡摩擦，为此可借助气垫导轨避免这一点.另外，测加速度可在气垫导轨上安放两个光电计时门，通过微机辅助系统记录小车通过两个计时门的时间间隔，测出两计时门间距离，可由x=at2求加速度a，数据完全可由微机处理，甚至a-F、a-1／m图象由微机处理作出，收到事半功倍的效果.

    该实验是探索规律的实验，学生对加速度与力和质量的定量关系是未知的，但通过实例，对加速度与力和质量的定性关系是可以理解的.怎样定量研究需在教师指导下，学生动手、动脑进行设计研究，教师只是一个引导者、评判者，只要学生的设计方案合理，亲身体验探究过程，至于能否得出正确结果并不重要.

    二、气垫导轨实验装置简介

    气垫导轨实验装置(图4-2-6)主要是由导轨、滑块、气源、光电门、光电数字计时器组成的.导轨由一定长度全封闭的金属制成，其横截面是直角三角形.导轨内部中空，气体由导轨顶端的进气孔进入导轨，从导轨面上的小孔喷出，喷出的气流在导轨和滑块之间形成气垫，使滑块在运动过程中的摩擦力达到可以忽略的程度.

图4-2-6

    滑块（图4-2-7）是一个金属块，底部是两个平整且互成直角的平面，上面可接配套砝码或用于挡光的挡光片的装置.气源是一个用于将气体压入导轨的装置.光电门是一个接在导轨上方用于采集测量数据的工具.通电后一束光从光电门的一边经过“门”的中间到达另一边，光线被挡住或未被挡住所采集的数据是不一样的.光电门由电源供电采集的数据以电信号的方式输入到光电计时器中.光电数字计时器是一个可以将采集信息的时间显示出来的仪器，仪器处于“计”时状态时，有两种测量方式：一种是测量挡光片挡光的时间（从挡光开始到挡光结束），通过这种方式可以算出物体经过光电门的速度；另一种是测量物体经过两个光电门的时间间隔，在仪器上会有相应的装置供选择计时的方式，数字显示的时间可以通过选择“自动清零”按钮或“手动清零”按钮开关使数字重新为零，以便显示下一次的计时结果.改进后的光电计时器不但有计时功能，还可以将物体通过光电门时的速度直接显示出来，这样可以借助仪器简化实验数据的处理过程.使用仪器J0201系列数字计时器，J21261型小型气源探究加速度与物体质量、合外力关系的一组数据及误差.

图4-2-7

    三、测定加速度的仪器

    1.加速度仪：利用压电晶体的压电效应的加速度仪.可以测量运动物体线加速度和振动参数的仪器.它由加速度传感器和放大器组成.用压电晶体制成的加速度传感器，其输出端产生的电码与它所承受的加速度成正比.敏感元件由两片压电晶体圆片（锗钛酸铅）组成.圆片上安有一质量块.质量块由一个弹簧预先加载，整个组件安装在厚基座的金属壳体内.当传感器随运动物体做加速运动时，质量块向压电晶体圆片施加一个与质量块加速度精确地成比例的力.由于压电效应，在两个压电晶体圆片的两端产生一个电势差（电压）.这个电势差也与质量块的加速度成正比.

    2.加速度计——测量运载体线加速度的仪表

    基本模型：加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼和壳体组成.检测质量受支承约束只能沿一条轴线移动.这个轴常称为输入轴或敏感轴.当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向做加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性检测质量力图保持其原来的运动状态不变.它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹力作用下随之加速运动.当弹簧弹力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧形变反映被测加速度的大小.电位器作为位移传感元件，加速度信号转换为电信号，以供输出.加速度计本质上是一个自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质.