淺析牛頓第二定律實驗的改進

摘 要：牛頓第二定律是牛頓運動定律的核心.充分理解牛頓第二定律探究性試驗的原理和方法，能夠進一步對加深該定律的理解，本文將針對教材中牛頓第二定律探究實驗的不足，提出實驗改進創(chuàng)新的三種常見類型。

關(guān)鍵詞：牛頓第二定律的不足；改進；創(chuàng)新

牛頓第二定律是牛頓運動定律的核心.也是經(jīng)典力學(xué)的一個重要支柱，在力學(xué)中占有很重要的地位。在高中物理的教學(xué)過程中，作為力學(xué)與運動學(xué)的橋梁，幾乎是每一年的高考試題中必考的一個知識點。而充分理解牛頓第二定律探究性試驗的原理和方法，能夠進一步對加深該定律的理解，在教學(xué)過程中，我們讓學(xué)生經(jīng)歷實驗探究過程，在實驗過程中掌握實驗原理，注重啟發(fā)性，強化探索性，并培養(yǎng)學(xué)生大膽創(chuàng)新的精神，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和實踐能力，將科學(xué)探究與物理知識有機地結(jié)合起來，這樣才能促進學(xué)生的全面發(fā)展。本文將針對教材中，牛頓第二定律探究實驗的不足和改進創(chuàng)新的三種常見類型進行展開討論，以期給大家的學(xué)習(xí)帶來些許幫助。

一、 教材實驗方案中存在的不足

1. 需要平衡摩擦力。用重力的分力來抵消摩擦力，使小車在不掛重物時恰能夠做勻速直線運動。但是如何判斷小車是否已經(jīng)做勻速直線運動呢？若僅從紙帶打點的均勻性來判斷是否勻速，必然存在一定的偶然誤差。

2. 需要滿足小車質(zhì)量遠大于重物質(zhì)量。在探究過程中由于系統(tǒng)處于失重狀態(tài)，必須滿足當(dāng)小車質(zhì)量M遠大于重物質(zhì)量m時，才可以認為繩對小車的拉力大小近似為盤及盤中砝碼的重力，所以存在系統(tǒng)誤差。

3. 利用紙帶來求加速度往往由于選擇哪一段紙帶，或者操作原因打點的點跡不清晰等問題，也會存在較大的偶然誤差。

二、 針對以上不足，本實驗還可以從以下方面進行改進創(chuàng)新

（一） 實驗方法的改進和創(chuàng)新，利用整體法回避測量拉力

利用圖1中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系。圖中置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼。本實驗中可用的鉤碼共有N=5個，每個質(zhì)量均為0.010 kg。實驗步驟如下：

1. 將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物快，使小車（和鉤碼）可以在木板上勻速下滑。

2. 將n（依次取n=1，2，3，4，5）個鉤碼掛在輕繩右端，其余N-n個鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制s-t圖像，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a。

3. 利用不同的n對應(yīng)的a值作出a-n圖像。從圖像可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比。創(chuàng)新之處：本實驗在探究加速度與物體受合力的關(guān)系時，在平衡掉摩擦力的前提下，充分利用整體法的思想，使小滑車與鉤碼的系統(tǒng)總質(zhì)量不變，進而探究該系統(tǒng)的合外力與加速度的關(guān)系，回避了細線拉力的測量問題，使實驗原理進一步得到了完善，回避了系統(tǒng)誤差。

（二） 如圖2，實驗器材的改進創(chuàng)新

1. 用氣墊導(dǎo)軌代替長木板。將氣墊導(dǎo)軌代替長木板，直接消除摩擦力的影響。

2. 利用光電門來替代打點計時器和紙帶。利用光電門來替代打點計時器和紙帶，就避免了選擇哪段紙帶，或者點跡不清晰的問題，提高了實驗的精確度

3. 利用DIS系統(tǒng)，如位移傳感器、拉力傳感器和速度傳感器等，直接測量相關(guān)的物理量避免誤差。

創(chuàng)新之處：①利用光電門來替代打點計時器和紙帶以及利用氣墊導(dǎo)軌，相對于教材中設(shè)計的實驗，消除了摩擦力的影響，減少了偶然誤差的影響，提高了實驗的精度。②利用力傳感器直接準(zhǔn)確地測量出了細線拉力F的大小，避免利用鉤碼重力來充當(dāng)滑塊的所受拉力，有效地消除了系統(tǒng)誤差；另外利用氣墊導(dǎo)軌來消除摩擦力的影響，從而使繩上的拉力就是小車所受的合力，和教材中原有實驗平衡摩擦力的方法相比較更簡單、更容易操作。

（三） 利用多力平衡的知識，實驗操作的方法進行創(chuàng)新改進

如圖3，一端系在滑塊上的輕質(zhì)細繩通過轉(zhuǎn)軸光滑的輕質(zhì)滑輪，另一端掛一鉤碼，通過適當(dāng)調(diào)整墊高長木板帶滑輪的另外一端，直至輕推滑塊，能使滑塊沿長木板向下做勻速直線運動為止；

保持長木板的傾角不變，取下細繩和鉤碼，接好紙帶，接通打點計時器的電源，待打點穩(wěn)定后，讓滑塊沿長木板滑下，根據(jù)力的平衡規(guī)律，可以很容易得出鉤碼的重力就是小車所受的合力，這樣就不需要鉤碼的重力遠小于滑塊重力這個條件，有效避免了系統(tǒng)誤差。

創(chuàng)新之處：本實驗雖然所使用的器材與教材相同，但是通過變更操作方式，巧妙地利用了學(xué)生所熟悉的多力平衡的知識，即在多力平衡的前提下，剩下的合力應(yīng)該與撤去的力大小相等，方向相反。將系統(tǒng)誤差化解于無形中，避免了教材上實驗的方法所造成的系統(tǒng)誤差。

總之，由以上幾種創(chuàng)新方案分析可知，我們在平時物理實驗教學(xué)過程中，應(yīng)抓住實驗?zāi)康模瑥膶嶒炂鞑?、實驗方法、實驗操作過程、實驗原理等入手進行深入分析實驗的優(yōu)缺點，淡化結(jié)論的簡單記憶，注重培養(yǎng)學(xué)生過程分析能力和知識遷移能力。

作者簡介：吳贊明，福建省南平市，南平市高級中學(xué)。