“驗證牛頓第二定律”實驗考點(diǎn)分析

彭俊勉

【關(guān)鍵詞】 物理教學(xué)；“牛頓第二定律”；考點(diǎn)分析

【中圖分類號】 G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 1004—0463（2017）08—0119—01

“驗證牛頓第二定律”是高中物理力學(xué)實驗的核心，本實驗通過控制變量法討論了力與運(yùn)動的關(guān)系，驗證了牛頓第二定律F合=ma.由于涉及較多的知識點(diǎn)，需要較強(qiáng)的綜合分析能力，學(xué)生往往顯得無從下手，造成學(xué)習(xí)障礙.如果將實驗考點(diǎn)進(jìn)行分解，可以幫助學(xué)生理清思路、深入淺出、簡化難點(diǎn).

一、原始實驗分析

如何準(zhǔn)確地設(shè)計并測量出小車加速運(yùn)動時受到的合外力是本實驗的核心考點(diǎn).實驗中用天平測出小車和砝碼的總質(zhì)量M，小盤和砝碼的總質(zhì)量m，把測量結(jié)果記錄下來.

1. 平衡摩擦力.實驗中通過設(shè)置斜面，使得小車沿斜面勻速下滑（紙帶打出的點(diǎn)跡均勻），消除摩擦力的影響.考點(diǎn)分解：

（1）物體沿斜面勻速直線運(yùn)動的條件mgsinθ=μmgcosθ（即μ=tanθ），因此實驗中改變小車的質(zhì)量，不需要重新平衡摩擦力.

（2）物體勻速直線運(yùn)動時F合=0，因此小車在牽引力的作用下加速運(yùn)動時F合=Ft（細(xì)繩的牽引力）.

2. 細(xì)繩的牽引力不容易實時測量，因此用小盤和砝碼的總重力代替細(xì)繩的牽引力Ft≈mg（M≥m）.

3. 數(shù)據(jù)處理考點(diǎn)分解：

（1）通過分析打點(diǎn)計時器打出紙帶上的點(diǎn)跡，計算瞬時速度，逐差法計算加速度.

（2）采用圖象處理數(shù)據(jù).作出a-F圖象，分析圖象不過坐標(biāo)原點(diǎn)的原因；明確F逐漸增大時（不再滿足M≥m時），圖象向橫軸偏折.作出a-1/M圖象，驗證F合一定時，a與M成反比.

二、變式實驗分析

變式實驗中通常設(shè)計兩個關(guān)鍵步驟，首先通過勻速直線運(yùn)動（F合=0）得到摩擦力的處理方法.其次通過加速直線運(yùn)動分析F合，確定是否需要滿足M≥m，并且改變實驗數(shù)據(jù)的測量方法.

1. 原始實驗通過斜面平衡摩擦，變式實驗?zāi)Σ亮Φ奶幚矸椒ǎ?/p>

（1）通過水平方向小車做勻速直線運(yùn)動測量摩擦力Ff，驗證F合=Ft-Ff=Ma.

（2）通過豎直方向物體向上加速運(yùn)動受到阻力為mg，驗證F合=Ft-mg=Ma.

2.原始實驗Ft≈mg，存在系統(tǒng)誤差.變式實驗采用小車上固定力的傳感器、細(xì)繩上連接彈簧測力計，實時測量Ft.由于沒有用mg代替Ft，所以不需要滿足M≥m.

3.原始實驗中通過打點(diǎn)計時器打出的紙帶分析數(shù)據(jù)，變式實驗通過安裝光電門測量瞬時速度，計算得到加速度.

三、實例分析

例 水平軌道上安裝兩個光電門，小車上固定有力傳感器和擋光板，細(xì)線一端與力傳感器連接，另一端跨過定滑輪掛上砝碼盤.實驗首先保持軌道水平，通過調(diào)整砝碼盤里砝碼的質(zhì)量讓小車做勻速運(yùn)動以實現(xiàn)平衡摩擦力.并在實驗中獲得以下測量數(shù)據(jù)：小車、力傳感器和擋光板的總質(zhì)量M，平衡摩擦力時砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量m0，擋光板的寬度d，光電門1和2的中心距離s，某次實驗過程：力的傳感器讀數(shù)為Ft，小車通過光電門1和2的擋光時間分別為t1、t2（小車通過光電門2后，砝碼盤才落地）.

實驗分析：

1.通過小車勻速直線運(yùn)動，F(xiàn)f=m0g，測量出摩擦力，以實現(xiàn)平衡摩擦.當(dāng)改變小車質(zhì)量時，需要重新測量摩擦力.

2.小車安裝力傳感器，實時測量Ft，實驗中不需要滿足M≥m.

原始實驗設(shè)計的亮點(diǎn)在于，首先是摩擦力的處理中借用斜面的特點(diǎn)，十分巧妙地避免了重復(fù)操作.其次設(shè)計的系統(tǒng)誤差正是該實驗的考究之處，它不僅讓學(xué)生深刻體會系統(tǒng)誤差是由于實驗本身設(shè)計的缺陷引起的，并且圍繞此命題展開的分析方法及實驗改進(jìn)方案，升華了學(xué)生的思維水平.通過反復(fù)訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)，首先要確定研究對象，圍繞研究對象分析實驗中摩擦力的處理方法，其次明確研究對象加速運(yùn)動時受到的合外力，得到力與運(yùn)動的關(guān)系.通過將問題分解的方法，逐步達(dá)到解決問題的目的.

編輯：謝穎麗