基于“比值關系”的牛頓第二運動定律探究實驗的改進

摘 要: “牛頓第二運動定律探究實驗”是高中物理新課程必修模塊中典型的探究實驗之一。本文作者引導學生改進課本中用“比值關系”進行的對比實驗，讓學生體驗科學探究的過程。根據改進實驗目的，自選實驗器材，制定改進實驗方案，收集實驗數據，得出實驗結論，并對實驗結果進行分析和評估。

關鍵詞: 牛頓第二定律 比值法 探究實驗

“探究加速度與力、質量的關系”是人教版普通高中物理實驗教科書(必修1)第四章《牛頓運動定律》第2節的內容。本節內容的基本思路是:保持物體質量不變，測量物體在不同拉力作用下的加速度，分析加速度與力的關系;保持物體所受的拉力相同，測量不同質量的物體在該力作用下的加速度，分析加速度與質量的關系。[1]課本采用了對照比較的探究方法，測量不同情況下物體加速度的比值與外力比值、質量比值的關系，實驗探究的內容更加符合牛頓第二定律的本義，也體現了新課程實驗設計從驗證性向探究性轉變的理念。

為使學生理解和掌握用對照實驗探究牛頓第二定律，理解“比值關系”在實驗操作和數據處理中的作用，我引導學生改進課本實驗方案，讓學生參與實驗新方案的設計，參與實驗操作過程和處理實驗誤差，并能評估實驗方案和實驗結果。[2]

一、問題提出

設計“探究牛頓第二運動定律”實驗(圖一:課本的實驗裝置)時，我采用了對照比較實驗的方法。怎樣使這種實驗方案更好地解決以下問題?

①如何讓學生體驗探究的過程，培養學生的動手實踐能力。

②實驗中如何真正落實“比值關系”。

③怎樣準確控制兩車運動步調的一致性。

④怎樣減少實驗誤差。

⑤如何增加對照的實驗效果，讓實驗現象更明顯。

二、探究實驗的過程

(一)引導學生準備實驗器材。

①自制兩端帶有滑輪的鋁合金導軌1個;②自制電磁鐵2個;③相同的小車2個;④鉤碼:5g、10g、20g各幾個，用于提供牽引小車的力;100g、200g各幾個，用于改變小車的質量;⑤學生電源1個;⑥鐵架臺2個;⑦天平、砝碼;⑧小筒2個，各5g;⑨1.5—2.0米長的適當粗細的棉線兩條;⑩米尺、水平儀、導線若干。實驗電路(如圖二改進的實驗裝置)

(二)引導學生探究實驗，體驗比值關系。

1.保持小車質量M=M=200g(2個單位質量，取100g為一個單位質量)不變，改變兩小車的拉力，探究加速度與外力的關系。

操作要點:用天平測出小筒的質量為5g，以5g的重力作為一個單位力，保持小車的質量不變，即M=M。通過改變拉兩小車的力是單位力的幾倍來確定兩邊拉力的比例關系F∶F。

利用電磁鐵在通電時有磁性，斷電時磁性消失，可控制兩小車同時運動。斷開電源后，電磁鐵磁性消失，兩小車在小桶的拉力作用下做初速度為0的勻加速直線運動，相向運動至相撞，兩車運動的時間相同。從標尺上讀出兩車的位移之比S∶S。結合S=at公式，就可以得出a∶a=S∶S，探究a∶a與F∶F關系。

進行實驗:合上電源，小車在電磁鐵的吸引下靜止，在一邊的小桶內放5g的鉤碼和另一邊小桶內不放鉤碼，一邊拉力是單位力，一邊拉力是單位力的兩倍，即拉力F∶F之比為1∶2，斷開電源開關，兩小車開始運動，記下相遇的位移分別是26.0cm和51.0cm;再合上電源，一邊小桶內放5g鉤碼，別一邊小桶內放10g鉤碼，即拉力F∶F之比為2∶3，斷開電源開關，兩小車開始運動，記下相遇的位移為31.5cm和45.5cm;再合上電源，一邊小桶內放10g鉤碼，別一邊小桶內放15g鉤碼，即拉力F∶F之比為3∶4，斷開電源開關，兩小車開始運動，記下相遇的位移為33.5cm和43.5cm;如此下去。將實驗數據記入表一。

以a∶a為縱坐標，以F∶F為橫坐標，建立坐標系，根據記錄數據描點，畫出擬合曲線。

圖三 實驗a∶a與F∶F數據

結論:由數據分析和擬合曲線可知，在誤差允許的范圍內，小車質量一定，加速度與外力成正比，即a∞F。

2.保持小筒內的鉤碼質量一定，即小車的拉力不變F=F=30g(6個單位力，以5g作為一個單位拉力)，改變小車的質量，探究小車的加速度與小車的質量關系。

操作要點:用天平測出小車的質量為200g，以100g的作為一個單位質量，保持兩小車的拉力不變，即F=F。通過改變兩小車的質量是單位質量的幾倍來確定兩車質量的比例關系M∶M。

利用電磁鐵在通電時有磁性，斷電時磁性消失，可控制兩小車同時運動。斷開電源后，電磁鐵磁性消失，兩小車在小桶的相同拉力作用下做初速度為0的勻加速直線運動，相向運動至相撞，兩車運動的時間相同。從標尺上讀出兩車的位移之比S∶S。結合S=at公式，得出a∶a=S∶S，探究a∶a與M∶M的關系。

進行實驗:合上電源，小車在電磁鐵的吸引下靜止，在一邊的小車上放100g的砝碼，另一邊小車不放砝碼，以100g作為單位質量，一邊是單位質量的2倍，一邊是單位質量的3倍，即質量M∶M之比為2∶3，斷開電源開關，兩小車開始運動，記下相遇的位移分別是46.0cm和31.0cm;再合上電源，一邊小車上放100g砝碼，別一邊小車上放200g砝碼，即質量M∶M之比為3∶4，斷開電源開關后，兩小車開始運動，記下相遇的位移為44.5cm和32.5cm;再合上電源，一邊小車上放200g砝碼，別一邊小車上放300g砝碼，即質量M∶M之比為4∶5，斷開電源開關后，兩小車開始運動，記下相遇的位移為42.5cm和34.5cm，如此下去。將實驗數據記入表二。

以a∶a為縱坐標，以M∶M為橫坐標，建立坐標系，根據記錄數據描點，畫出擬合曲線。

圖四 實驗a∶a與M∶M數據

結論:由數據分析和擬合曲線可知，在誤差允許的范圍內，小車受拉一定，加速度與質量的倒數成正比，即a∞。

(三)實驗評估。

實驗過程中，學生在教師的指導下共同完成實驗的探究過程。從自選實驗器材、參與實驗操作、共同收集數據和誤差分析的整個過程。利用拉力是單位力的倍數改變拉力，小車質量是單位質量的倍數改變小車的質量，拉力和質量的倍數體現在數據的收集和處理的整個過程，靈活運用了“比值關系”。利用電磁鐵在通電下有磁性斷電時磁性消失的原理同時控制兩車共同運動，能準確控制兩車運動步調的一致性，比課本上用鐵夾來控制兩車運動的時間更準確。為了減少實驗誤差，將用力的比值、加速度比值和質量比值作為處理數據的坐標軸，并將相關比值代表的點畫擬合曲線，提高了數據處理的準確性，由于整個裝置是在支架上進行，用水平儀將水平鋁合金導軌調節水平，是實驗成功的重要條件。將對比實驗放在鐵架臺和鋁合金制作的水平裝置上進行，比課本中放在實驗桌上進行的實驗，增加了實驗對照的效果，實驗現象更明顯。

高中物理新課程實施的一個重要理念就是注重學生自主學習和合作學習能力的培養，要求教師提供多樣化的教學方式。而探究實驗正是實現這種教學理念的重要途徑之一。開發探究實驗能讓學生深入的學習物理實驗的理論、方法和技能;提高學生的實驗素養;激發學生實驗探究的興趣;增強學生的創新意識;培養學生實事求是、嚴謹認真的科學態度;發展學生的實踐能力[3]。物理新的課程標準也增加了“物理實驗專題”，要求教師和學生對課本上的實驗多提出改進方案，讓學生具有發現問題、提出實驗研究課題的能力，并根據課題的要求，制定實驗目的，合理選擇、使用實驗器材，正確的進行實驗操作;設計科學合理的實驗步驟;在實驗探究的過程中，正確觀察，如實記錄實驗現象和數據;評估和反思實驗結果。“基于‘比值關系’的牛頓第二運動定律探究實驗的改進”就是引導學生對課本提供的方案評估和反思的基礎上，提出探究改進的意見，讓學生在參與實驗改進的過程中建構加速度與外力、物體質量的關系。同時這也是引導教師和學生在教學和學習中能對課本提供的探究方案進行開發的一些嘗試。

參考文獻:

[1]普通高中物理課程標準實驗教科書必修1.人民教育出教版，2006.12.

[2]普通高中物理課程標準實驗教科書教師用書必修1.人民教育出教版，2007.4.

[3]普通高中物理課程標準.人民教育出版社，2006.12.