淺析牛頓第二定律實驗的改進

摘 要：牛頓第二定律是牛頓運動定律的核心.充分理解牛頓第二定律探究性試驗的原理和方法，能夠進一步對加深該定律的理解，本文將針對教材中牛頓第二定律探究實驗的不足，提出實驗改進創新的三種常見類型。

關鍵詞：牛頓第二定律的不足；改進；創新

牛頓第二定律是牛頓運動定律的核心.也是經典力學的一個重要支柱，在力學中占有很重要的地位。在高中物理的教學過程中，作為力學與運動學的橋梁，幾乎是每一年的高考試題中必考的一個知識點。而充分理解牛頓第二定律探究性試驗的原理和方法，能夠進一步對加深該定律的理解，在教學過程中，我們讓學生經歷實驗探究過程，在實驗過程中掌握實驗原理，注重啟發性，強化探索性，并培養學生大膽創新的精神，培養學生的思維能力和實踐能力，將科學探究與物理知識有機地結合起來，這樣才能促進學生的全面發展。本文將針對教材中，牛頓第二定律探究實驗的不足和改進創新的三種常見類型進行展開討論，以期給大家的學習帶來些許幫助。

一、 教材實驗方案中存在的不足

1. 需要平衡摩擦力。用重力的分力來抵消摩擦力，使小車在不掛重物時恰能夠做勻速直線運動。但是如何判斷小車是否已經做勻速直線運動呢？若僅從紙帶打點的均勻性來判斷是否勻速，必然存在一定的偶然誤差。

2. 需要滿足小車質量遠大于重物質量。在探究過程中由于系統處于失重狀態，必須滿足當小車質量M遠大于重物質量m時，才可以認為繩對小車的拉力大小近似為盤及盤中砝碼的重力，所以存在系統誤差。

3. 利用紙帶來求加速度往往由于選擇哪一段紙帶，或者操作原因打點的點跡不清晰等問題，也會存在較大的偶然誤差。

二、 針對以上不足，本實驗還可以從以下方面進行改進創新

（一） 實驗方法的改進和創新，利用整體法回避測量拉力

利用圖1中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關系。圖中置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼。本實驗中可用的鉤碼共有N=5個，每個質量均為0.010 kg。實驗步驟如下：

1. 將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當厚度的小物快，使小車（和鉤碼）可以在木板上勻速下滑。

2. 將n（依次取n=1，2，3，4，5）個鉤碼掛在輕繩右端，其余N-n個鉤碼仍留在小車內；用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制s-t圖像，經數據處理后可得到相應的加速度a。

3. 利用不同的n對應的a值作出a-n圖像。從圖像可以看出：當物體質量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比。創新之處：本實驗在探究加速度與物體受合力的關系時，在平衡掉摩擦力的前提下，充分利用整體法的思想，使小滑車與鉤碼的系統總質量不變，進而探究該系統的合外力與加速度的關系，回避了細線拉力的測量問題，使實驗原理進一步得到了完善，回避了系統誤差。

（二） 如圖2，實驗器材的改進創新

1. 用氣墊導軌代替長木板。將氣墊導軌代替長木板，直接消除摩擦力的影響。

2. 利用光電門來替代打點計時器和紙帶。利用光電門來替代打點計時器和紙帶，就避免了選擇哪段紙帶，或者點跡不清晰的問題，提高了實驗的精確度

3. 利用DIS系統，如位移傳感器、拉力傳感器和速度傳感器等，直接測量相關的物理量避免誤差。

創新之處：①利用光電門來替代打點計時器和紙帶以及利用氣墊導軌，相對于教材中設計的實驗，消除了摩擦力的影響，減少了偶然誤差的影響，提高了實驗的精度。②利用力傳感器直接準確地測量出了細線拉力F的大小，避免利用鉤碼重力來充當滑塊的所受拉力，有效地消除了系統誤差；另外利用氣墊導軌來消除摩擦力的影響，從而使繩上的拉力就是小車所受的合力，和教材中原有實驗平衡摩擦力的方法相比較更簡單、更容易操作。

（三） 利用多力平衡的知識，實驗操作的方法進行創新改進

如圖3，一端系在滑塊上的輕質細繩通過轉軸光滑的輕質滑輪，另一端掛一鉤碼，通過適當調整墊高長木板帶滑輪的另外一端，直至輕推滑塊，能使滑塊沿長木板向下做勻速直線運動為止；

保持長木板的傾角不變，取下細繩和鉤碼，接好紙帶，接通打點計時器的電源，待打點穩定后，讓滑塊沿長木板滑下，根據力的平衡規律，可以很容易得出鉤碼的重力就是小車所受的合力，這樣就不需要鉤碼的重力遠小于滑塊重力這個條件，有效避免了系統誤差。

創新之處：本實驗雖然所使用的器材與教材相同，但是通過變更操作方式，巧妙地利用了學生所熟悉的多力平衡的知識，即在多力平衡的前提下，剩下的合力應該與撤去的力大小相等，方向相反。將系統誤差化解于無形中，避免了教材上實驗的方法所造成的系統誤差。

總之，由以上幾種創新方案分析可知，我們在平時物理實驗教學過程中，應抓住實驗目的，從實驗器材、實驗方法、實驗操作過程、實驗原理等入手進行深入分析實驗的優缺點，淡化結論的簡單記憶，注重培養學生過程分析能力和知識遷移能力。

作者簡介：吳贊明，福建省南平市，南平市高級中學。