改進(jìn)驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)裝置

李昌盛

在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書人教版必修1，第四章牛頓運(yùn)動(dòng)定律第二節(jié)課中，實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系是高中階段最重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也可以說(shuō)是高中階段較有難度的實(shí)驗(yàn)，也是利用控制變量法最典型的范例。該實(shí)驗(yàn)的原理是：探究加速度a與力F及質(zhì)量m的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用的基本方法是控制變量法，即先控制一個(gè)參量——小車的質(zhì)量m不變，討論加速度a與力F的關(guān)系，再控制小盤和砝碼的質(zhì)量不變，即力F不變，改變小車質(zhì)量m，討論加速度a與m的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)器材：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，紙帶，復(fù)寫紙，小車，一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板，小盤，夾子，細(xì)繩，低壓交流電源，導(dǎo)線，天平，刻度尺，砝碼。

如圖甲，這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的物理量有三個(gè)：物體的加速度，物體所受的力，物體的質(zhì)量。質(zhì)量可以用天平測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)要解決的主要問(wèn)題是怎樣測(cè)量加速度和怎樣提供并測(cè)量物體所受的力。

由于小車做初速度為0的勻速直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)量物體加速度最直接的辦法就是用刻度尺測(cè)量位移并用秒表測(cè)量時(shí)間，再由a=2x/t 算出。

書中本節(jié)參考案例：是兩個(gè)相同的小車放在光滑水平板上，兩個(gè)小車后端各系一條細(xì)線，用一個(gè)黑板擦或夾子把兩條細(xì)線同時(shí)按下黑板擦或夾子兩個(gè)小車同時(shí)停下來(lái)。用刻度尺測(cè)出兩個(gè)小車通過(guò)的位移，位移之比就等于它們的加速度之比。

a /a =x /x

為了改變小車的質(zhì)量，可以在小車中增減砝碼。

筆者認(rèn)為既然是物理實(shí)驗(yàn)就應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地反映物理事實(shí)或規(guī)律。當(dāng)黑板擦或夾子同時(shí)壓住兩根細(xì)繩，要保證t相同，小車起步要相同，也要保證同時(shí)停住，黑板擦或夾子要同時(shí)壓住兩小車后面的細(xì)繩，但細(xì)繩被小車?yán)舷蚯斑\(yùn)動(dòng)，起步不能保證同時(shí)，也不能保證同時(shí)停止，也就是細(xì)繩也要或多或少地也向前移動(dòng)一點(diǎn)位移，小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間不準(zhǔn)確，即由關(guān)系式x=at /2知，所以導(dǎo)致位移不夠準(zhǔn)確。a /a 不等于x /x ，為了讓實(shí)驗(yàn)更嚴(yán)謹(jǐn)，筆者認(rèn)為書中的參考案例實(shí)驗(yàn)需要改進(jìn)，對(duì)高一物理老師應(yīng)有更科學(xué)的指導(dǎo)，最好能按以下實(shí)驗(yàn)圖加以改裝，可以較巧妙地解決兩小車所運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同的問(wèn)題。

此實(shí)驗(yàn)裝置筆者也是受到了寧夏高考模擬試題的啟發(fā)，想著能將該實(shí)驗(yàn)按此題的實(shí)驗(yàn)圖作為書中的案例實(shí)驗(yàn)裝置較合適。寧夏高考模擬題是;某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置探究加速度與力，質(zhì)量的關(guān)系，開(kāi)始閉合電建，電磁鐵將A，B兩個(gè)小車吸住斷開(kāi)電建，兩小車同時(shí)在細(xì)繩拉力作用下在水平桌面上，沿同一直線相向運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中始終保持小車質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于托盤和砝碼的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)裝置中各部摩擦阻力均可忽略不計(jì)。

1.該小組同學(xué)認(rèn)為，只要測(cè)出小車A，和B由靜止釋放到第一次碰撞前通過(guò)的位移S ，S ，即可將知小車A，和B的加速度a ，a 與位移S ，S 的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系式可寫成？搖？搖？搖 ？搖。（a /a =x /x ）

2.實(shí)驗(yàn)時(shí)，該小組同學(xué)先保持兩小車質(zhì)量相同且不變，改變左右托盤內(nèi)的砝碼的重力，測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)拉力下小車A和B通過(guò)的位移S ，S ，經(jīng)過(guò)多組數(shù)據(jù)分析得出了小車運(yùn)動(dòng)的加速度與所受拉力的關(guān)系。然后保持兩小車所受的拉力相同且不變。研究小車的加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系，此時(shí)要改變的實(shí)驗(yàn)變量是？搖？搖 ？搖？搖。（質(zhì)量，即加減砝碼）

必須測(cè)量并記錄的物理量？搖？搖？搖？搖 （要求對(duì)物理量的字母做出說(shuō)明）（m ，S ，m ，S ）。S 為小車1的位移，m 為小車1的質(zhì)量，S 為小車2的位移，m 是小車2的質(zhì)量）這些測(cè)量并記錄的物理量之間的關(guān)系式可寫成？搖？搖 ？搖？搖。（m /m =x /x ）

筆者認(rèn)為上述的電磁鐵是由同一電建控制解決了兩小車的同時(shí)起步和同時(shí)停止的問(wèn)題，也就是小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間t相同，比課本中用黑板或夾子壓住兩細(xì)繩效果要好得多。

此實(shí)驗(yàn)裝置的好處為：小車的起步由電磁鐵控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，標(biāo)記下初位置，小車被吸在電磁鐵上不動(dòng)，保證初速度為0，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，拉小車的砝碼盤和砝碼的重力不同，對(duì)兩小車的拉力不同，在此不同拉力作用下，兩小車加速運(yùn)動(dòng)。然后兩小車相碰停止，標(biāo)記下末位置，這樣確實(shí)保證了兩小車的同時(shí)性，但它們的加速度不同走過(guò)的位移就不同，然后測(cè)出位移，求出加速度與位移的比值即可。加速度大的位移自然就大。即力與加速度成正比。再當(dāng)兩砝碼及砝碼盤的重力不變情況下，這樣保證力不變，給小車上加減砝碼，即小車的質(zhì)量變了，再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，讓兩小車做初速度為0的勻加速運(yùn)動(dòng)，同樣記下末位置，質(zhì)量變，在測(cè)出位移x，由x=at /2，得（m /m =x /x ），即m /m =a /a ，加速度與質(zhì)量成反比。這樣很容易地驗(yàn)證了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

總之，這樣的裝置給老師提供了更方便和更準(zhǔn)確地驗(yàn)證牛頓第二定律的指導(dǎo)方法，也減小了誤差，從而很成功且圓滿地完成了實(shí)驗(yàn)。