牛頓第二定律快速演示儀的研制

陽瑞霖 李志強 顏艷梅 黃晨 姜倩

摘 要：為便于學生更好地理解牛頓第二定律中加速度、力和運動物體質(zhì)量三者之間的關系，文章研制了新型牛頓第二定律快速演示儀。該演示儀依據(jù)初速度為零的勻加速直線運動中相同時間內(nèi)加速度與位移之間成正比的關系，將加速度的大小通過位移來表示，再采用相互平行的三層軌道，通過控制變量法實現(xiàn)牛頓第二定律快速教學演示，減少了演示時間，讓學生更直觀地觀察實驗現(xiàn)象，便于學生理解實驗原理，不斷激發(fā)學習興趣，從而提高教學效果，能夠較好地幫助學生定性認識該物理學定律。

關鍵詞：牛頓第二定律；直觀觀察；教學演示

在高中物理教材中，牛頓第二運動定律[1]實驗演示裝置是由具有一定質(zhì)量的小車、與小車配置使用的牽拉繩、定滑輪、砝碼以及打點計時器等構(gòu)成。雖然上述演示裝置理論上可以幫助學生對牛頓第二運動定律有一個定量的認識，然而目前在教學應用過程中的普遍狀況是：學校購入了演示儀器，老師卻不愿意在實際教學中使用?；饕蚴菍嶒炦^程中需要注意的點較多，一旦出現(xiàn)失誤操作，整個實驗就需要重新開始，這對于一節(jié)物理課40～45 min來說，時間往往是不夠的。基于上述思路，設計一種幫助學生定性認識牛頓第二運動定律的實驗演示裝置就顯得很有必要[2-3]。

1 快速演示原理

牛頓第二運動定律快速演示儀，采用三層軌道結(jié)構(gòu)，由上往下依次設置且相互平行的上層軌道、中層軌道及下層軌道。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，1為上層軌道，2為中層軌道，3為下層軌道，4為運動小車，5為鉤碼，6為牽引繩，7為拉繩，8為定滑輪，9為拉繩控制機構(gòu)，10為牽引繩控制機構(gòu)，11為定位板。

牛頓第二定律的內(nèi)容是物體的加速度a跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量m成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。即：

F=ma （1）

采用控制變量法，首先保證運動小車的質(zhì)量不變，來探究加速度與運動小車所受合外力之間的關系，接下來保持運動小車所受的合外力不變，來探究加速度與運動小車的質(zhì)量之間的關系，最后綜合得到上述三者之間的關系。

實驗裝置中的小車在合外力的作用下改變小車的運動狀態(tài)，該運動是一種初速度為零的勻加速直線運動，在運動學中初速度為零的勻加速直線運動中位移：

S=at2/2 （2）

（2）式表示運動小車相同時間內(nèi)加速度與位移之間成正比的關系，將加速度的大小通過位移來表示。將（1）式代入（2）式得到：

S=F/（2Mt2） （3）

中間層小車所受合外力為F0，運動小車的質(zhì)量為m0，運動的位移S0，依據(jù)（3）式，上層小車保持小車的質(zhì)量不變，其質(zhì)量為m1= m0，所受合外力為F1，則運動的位移S1為：

S1=（F1/F0）·S0 （4）

下層小車保持所受合外力不變，其合外為F2= F0，小車的質(zhì)量為m2，則運動的位移S2為：

S2= （m2/m0）·S0 （5）

2 測試與分析

連接好演示儀裝置，通過調(diào)節(jié)裝置來平衡小車運動的摩擦力，直至小車在軌道上保持勻速直線運動。其中中間參考層運動小車的質(zhì)量為200 g，由1個10 g的鉤碼產(chǎn)生合外力；上層運動小車的質(zhì)量仍為200 g，由2個10 g的鉤碼產(chǎn)生合外力；下層在運動小車的上面增加2個50 g的鉤碼，運動小車的總質(zhì)量為300 g，由1個10 g的鉤碼產(chǎn)生合外力。在上述相同的實驗條件下，進行3次實驗操作，其測試結(jié)果如表1所示。

牛頓第二定律快速演示儀裝置3次測量結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)。實驗結(jié)果顯示，上層運動小車的誤差較下層運動小車的誤差大，這是由于上層運動小車所受的合外力的鉤碼質(zhì)量接近于運動小車的質(zhì)量，其誤差就越大；下層運動小車所受的合外力的鉤碼質(zhì)量小于運動小車的質(zhì)量，所以其誤差越小[4]。測量結(jié)果表明，該牛頓第二定律快速演示儀的結(jié)果能夠滿足中學物理教學實驗的需要。

3 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，研制的新型牛頓第二定律快速演示儀減少了演示時間，讓學生更直觀地觀察實驗現(xiàn)象，便于學生理解實驗原理，能夠較好地幫助學生定性認識該物理學定律。

[參考文獻]

[1]李維兵.五版本教材牛頓第二定律實驗的對比分析[J].教學與管理，2016（16）：54-57.

[2]TEMIZ B K，YAVUZ A.Students misconceptions about Newtons second law in outer space[J].European Journal of Physics，2014（4）：143.

[3]SAGLAMARSLAN A，DEVECIOGLU Y.Student teachers levels of understanding and model of understanding about Newtons laws of motion[J].Asia-Pacific Forum on Science Learning and Teaching，2010（1）：20.

[4]郭宇虹.牛頓第二定律實驗中的誤差及減小的措施[J].龍巖學院學報，2007（3）：28-30.