自制牛頓第二定律探究?jī)x

馬永毅

(河北省辛集中學(xué),河北辛集 052360)

圖1

人教版課標(biāo)教材必修1第 4章第 2節(jié)“實(shí)驗(yàn):探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”所給參考案例有3個(gè)缺陷.(1)實(shí)驗(yàn)的目的是探究加速度與合力、質(zhì)量的關(guān)系,教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)恰恰在合力上出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差,“小盤(pán)和砝碼所受的重力,等于使小車(chē)做勻加速運(yùn)動(dòng)的力[1](如圖1所示),這兩個(gè)力只是近似相等,條件是盤(pán)和砝碼的質(zhì)量要比小車(chē)的質(zhì)量小很多.通過(guò)以后的學(xué)習(xí)我們將會(huì)證明這一點(diǎn).”盤(pán)和砝碼的質(zhì)量要比小車(chē)的質(zhì)量小很多這個(gè)條件只能說(shuō)明盤(pán)和砝碼所受重力與繩對(duì)小車(chē)的拉力近似相等,而小車(chē)還受到摩擦力,盤(pán)和砝碼的質(zhì)量越小,小車(chē)所受摩擦力就越不能忽略.(2)用教材中所提供的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差特別大,無(wú)法定量探究加速度與合力、質(zhì)量的關(guān)系.(3)該實(shí)驗(yàn)是兩個(gè)小車(chē)的對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究對(duì)象較多使實(shí)驗(yàn)變得復(fù)雜,而且也沒(méi)有絕對(duì)完全相同的兩個(gè)小車(chē).

圖2

自制儀器裝置介紹.如圖2所示,研究鉤碼向下的加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程,利用計(jì)時(shí)器和兩個(gè)固定的光電門(mén)可測(cè)鉤碼通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間,由公式x為兩個(gè)光電門(mén)的間距,確保遮光片掃第一個(gè)光電門(mén)時(shí)速度接近零)可測(cè)鉤碼向下運(yùn)動(dòng)的加速度;當(dāng)鉤碼運(yùn)動(dòng)時(shí),繩對(duì)鉤碼的拉力可通過(guò)彈簧秤間接測(cè)量為繩上的拉力,F彈簧秤讀數(shù),G0為滑輪重力);右側(cè)為配重小桶,通過(guò)調(diào)整小桶中砝碼的質(zhì)量來(lái)調(diào)整鉤碼受到的繩的拉力,進(jìn)而達(dá)到調(diào)整鉤碼所受合力的目的.

質(zhì)量一定,探究加速度與合力的關(guān)系(表1),直接測(cè)量的物理量為F、t,其余數(shù)據(jù)利用Excel的函數(shù)公式自動(dòng)算出.從數(shù)據(jù)看出,加速度與繩上的拉力不成正比,而是隨著拉力的減小加速度增大,合力與加速度基本成正比.利用Excel畫(huà)出函數(shù)圖像(如圖3所示).

圖3

表1

合力一定,探究加速度與質(zhì)量之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)原理(如 圖4所示).

對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用牛頓第二定律得

左右兩邊均去掉很小的質(zhì)量Δm,(1)式變?yōu)?/p>

整理得

圖4

當(dāng) m1≈m2?Δm 時(shí),由(3)式可得

合力一定,探究加速度與質(zhì)量之間的關(guān)系(如表2),利用Excel畫(huà)出函數(shù)圖像(如圖5).

圖5

表2

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)突出了兩點(diǎn),在質(zhì)量一定時(shí),加速度是與合力,而非物體受的其他力成正比,合力基本不變時(shí),加速度與質(zhì)量成反比;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小,能較為準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)論;實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便,適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)儀器經(jīng)多次教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)收到了良好的效果.

1 李克英,畢雄偉,王黎智,楊衛(wèi)國(guó),張雄.用阿德伍德機(jī)驗(yàn)證牛頓第二定律.楚雄師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007,22(9).