新課程下對于牛頓第二定律實驗的優(yōu)化和改進

郭海軍

在新人教版普通高中課程標準實驗教科書物理必修1中，這個實驗的位置是高中物理教材必修一第四章第二節(jié)《實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》。很明顯，新課改將這部分內(nèi)容單列出來，體現(xiàn)了新課改下對探究性實驗的重視。

在本節(jié)實驗教學(xué)之前，課本先講述了如何利用圖像判斷兩個物理量之間是正比例關(guān)系還是反比例關(guān)系。而這個技巧正是同學(xué)們以后在工作學(xué)習(xí)中非常實用的處理數(shù)據(jù)的技巧和方法。

接下來課本給同學(xué)們提出兩個問題：

1.怎么樣測量或比較物體的加速度？

2.怎樣測量并提供物體所受的恒力？

用這兩個問題引導(dǎo)學(xué)生進行思考、設(shè)計。這會引導(dǎo)學(xué)生在以后的實驗及學(xué)習(xí)當(dāng)中進行類似的思考和設(shè)計。

雖然在課本中除了列出來的兩個參考案例外并沒有明文告訴我們更多的方法和實驗方案，但是有如下文字“如何......有很多可行的方法，下面案例中的方法可供選用，也可設(shè)計其他方法。”這就是說，同學(xué)們可以天馬行空地發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力，只要是能探究出來物體的加速度、受力和質(zhì)量三者之間的關(guān)系，并且合理可行，那同學(xué)們的實驗方案就可以用來做這個探究實驗。換言之，這個實驗是開放性的，鼓勵利用先進的實驗儀器、鼓勵有創(chuàng)新的實驗設(shè)計?，F(xiàn)就對幾種典型的創(chuàng)新實驗總結(jié)如下：

一、利用氣墊導(dǎo)軌進行牛頓第二定律實驗

1、氣墊導(dǎo)軌的原理：氣墊導(dǎo)軌是一種比較新型的實驗裝置，如圖所示，它替代了傳統(tǒng)的木板（或?qū)к墸?，通過鼓風(fēng)機的作用，在軌道和滑片（起到傳統(tǒng)的滑塊的作用）之間形成了一層極薄的空氣層，就像氣墊船行駛在水面上一樣，滑片就會飄在空氣層的表面，這樣便極大的減小了軌道對滑片的摩擦力，從而使得在實驗過程中影響實驗精度的摩擦力的干擾大大削弱，使得實驗精確度得到極大程度的提高。今年來隨著國家對實驗的重視程度提升，和各個學(xué)校的實驗條件的優(yōu)化，有相當(dāng)一部分的學(xué)校已經(jīng)能用氣墊導(dǎo)軌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木板做實驗了。

2、利用氣墊導(dǎo)軌測量滑片的加速度：

在導(dǎo)軌上設(shè)置兩個間距為S的光電門，將滑片上面的擋光片的寬度我們標記為ΔL，讓滑片依次通過兩個光電門，將先后通過兩個光電門的時間記為Δt1、Δt2，則我們可以按照以下的方法求出滑片的加速度：

先求出滑片通過兩個光電門的瞬時速度分別為v1=、v

2=，然后利用? 可以求出來滑片在運動過程中的

加速度大小。

3、利用控制變量法完成剩余的實驗步驟，驗證加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。

二、利用DIS系統(tǒng)完成牛頓第二定律實驗

1、DIS是Digital Information System的縮寫，指的是數(shù)字化信息技術(shù)。DIS的基本機構(gòu)有傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機，在現(xiàn)代技術(shù)中，幾乎所有的物理量都可以利用傳感器測量得到，如力、壓強、溫度、電流、光強、位移、速度等等，數(shù)據(jù)采集器采集得到的數(shù)據(jù)輸入計算機，便可以由事先編輯好的程序?qū)?shù)據(jù)進行加工整理，得到我們想要的實驗結(jié)果。

利用DIS做實驗有很多的好處：節(jié)省時間，測量便捷，數(shù)據(jù)處理精度高、速度快。而且，對于這樣的儀器學(xué)生具有非常濃厚的興趣。只是DIS系統(tǒng)對于一般的學(xué)校而言是很奢侈的，因為這套系統(tǒng)價格昂貴，而且極易由于操作不當(dāng)而損壞，所以開設(shè)的面并不是很廣，但是相信在不久的將來，這樣的實驗系統(tǒng)會進入我們每個物理課堂。

2、本實驗中用到的傳感器有位移傳感器和力傳感器。

將這兩個實驗儀器應(yīng)用于驗證牛頓第二定律的裝置如下圖所示：

用力傳感器做這個實驗就避免了在本實驗中由于細線拉力與砝碼質(zhì)量不相等而帶來的誤差，也無需在實驗中考慮砝碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量這一條件，使我們在實驗當(dāng)中更容易控制實驗條件，而且得到更加精確的實驗結(jié)果。而利用位移傳感器做牛頓第二定律的實驗?zāi)茏屛覀儗铀俣鹊臏y量更加精確，而且不需要我們利用打點計時器打紙帶，也避免了紙帶上的計算而帶來的誤差，減少了大量的工作量。如果將兩個實驗的裝置結(jié)合起來的話，將會使我們的實驗難度大大降低，實驗精度大大提高。

而且近幾年在高考實驗題的考察中，對于傳感器的應(yīng)用的考察大大的增多，所以我們在教學(xué)的過程中對于這方面的知識要有針對性的予以補充。

三、對新教材中牛頓第二定律實驗的改進方案

在新教材課本上給出的實驗方案有一些不盡如人意的地方，現(xiàn)在我就對這些地方做一些適當(dāng)?shù)母倪M。

在這個實驗中不方便控制的一個實驗條件：小車和里面砝碼的總質(zhì)量要遠大于懸掛的砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量。在我們做實驗的過程中，總會發(fā)現(xiàn)，剛開始的時候可能能保證勉強滿足，可是當(dāng)我們增加砝碼盤中的砝碼質(zhì)量后，多改動幾次，然后這個實驗條件就不再滿足了，所以在我們描點作圖之后就會得到如圖所示的圖像：

對于這種現(xiàn)象，我將實驗的方法做了一些改進，實驗的裝置圖如下：

（1）如圖安裝實驗儀器，用到的儀器有：一端帶有定滑輪的長木板或軌道、小車一個、打點計時器以及紙帶、沙桶及細砂若干，將小車和沙桶用細線連接，細線跨過定滑輪。

（2）將帶掛輪的長木板的一端墊高，使之與水平方向構(gòu)成一定的夾角，在沙桶中放入一定量的沙，隨后將小車由靜止釋放，仔細觀察小車的運動情況，看小車是否能夠沿斜面勻速下滑。如果不能，則改變沙桶中沙的質(zhì)量，直到沙桶的重量能夠保證小車沿斜面勻速下滑。這樣做的目的，是為了保證小車重力沿斜面向下的分力能夠等于小車受到的摩擦力和沙桶及沙的重力之和，即

然后斷開小車和沙桶的細線，則此時，小車受到的合外力就等于沙桶及沙的重力mg，然后打點計時器測量出來小車運動的加速度。用天平測量出來沙桶及沙的總質(zhì)量，再用加速度為縱坐標，mg為橫坐標畫出平面直角坐標系，則圖線在誤差范圍內(nèi)必然是一條直線。

通過這個方法就可以消除砝碼盤和內(nèi)部砝碼的總質(zhì)量遠小于小車和小車內(nèi)部砝碼的總質(zhì)量這個難控制的實驗條件對本實驗的影響，盡量減小實驗誤差。