驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律教材實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

摘 要：驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律實(shí)驗(yàn)是高中物理教材中最為重要的實(shí)驗(yàn)之一，涉及高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的多個(gè)方面，如科學(xué)探究、研究方法、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等，對學(xué)生的思維分析及實(shí)驗(yàn)操作能力提出了較高要求。本文從高中物理教材中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)延伸到實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，對一線物理師教學(xué)提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：原理;器材;步驟;誤差;延伸;拓展

一、 教材實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)原理

（1）小車質(zhì)量M不變，探究小車加速度a與所受合外力F的關(guān)系。

（2）小車所受合外力F不變，探究小車加速度a與它質(zhì)量M的關(guān)系。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)，作出a-F圖像;以a為縱坐標(biāo)、1M為橫坐標(biāo)作出a-1M圖像。

（二）實(shí)驗(yàn)器材

小車、砝碼、掉盤、細(xì)線、一端附有固定滑輪的長木板、木墊、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、導(dǎo)線、紙帶、天平、刻度尺。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用天平測量掉盤和砝碼的質(zhì)量m和小車的質(zhì)量M。

（2）在長木板固定滑輪的另一端下方墊上木墊，輕推小車，讓小車勻速下滑。

（3）如圖1所示，將懸掛掉盤的細(xì)線通過固定滑輪系在小車上。

（4）紙帶通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與小車相連。

（5）讓小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源后釋放小車。

（6）斷開電源，取下紙帶，選取一段比較理想的部分，測出加速度a。

（7）保持小車的質(zhì)量M不變，改變小盤和砝碼的質(zhì)量m，重復(fù)步驟（4）（5）（6）。

（8）得到若干組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、mg代替F為橫坐標(biāo)，作出a-F圖像。

（9）保持掉盤和砝碼的質(zhì)量m不變即小車所受拉力不變，改變小車質(zhì)量M，重復(fù)步驟（4）（5）（6）。

（10）由若干組數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、1M為橫坐標(biāo)作出a-1M圖像。

（四）誤差分析

（1）實(shí)驗(yàn)原理不完善：本實(shí)驗(yàn)用掉盤和砝碼的總重力mg代替小車的拉力，實(shí)際小車所受的拉力小于掉盤和砝碼的總重力。

（2）質(zhì)量稱量、紙帶計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測量精度不準(zhǔn)。

（3）平衡摩擦力不到位;紙帶和細(xì)繩與木板不平行等因素均會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。

二、 驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)延伸與拓展

（一）天平測質(zhì)量

（1）實(shí)驗(yàn)原理

保持小車、砝碼、掉盤總質(zhì)量不變，探究它們加速度與合外力的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①設(shè)小車、砝碼、掉盤總質(zhì)量為M，改變小盤中砝碼個(gè)數(shù)，增減放到小車上，從而改變拉力大小，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

②用天平稱量掉盤和砝碼的質(zhì)量為m，重力為mg。

③選取紙帶上一段比較理想的部分，測出加速度a。

④由若干組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、mg代替F為橫坐標(biāo)，作a-mg圖像。

（3）延伸與拓展

將系統(tǒng)作為研究對象，掉盤和砝碼總重力作為拉力，不需要滿足小車所受的拉力遠(yuǎn)小于掉盤和砝碼的總重力，避免了實(shí)驗(yàn)原理的局限性。

（二）彈簧測力計(jì)測小車所受的拉力

（1）實(shí)驗(yàn)原理

小車質(zhì)量不變，探究小車加速度與合外力的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。不掛鉤碼、滑輪、彈簧測力計(jì)時(shí)在長木板固定滑輪的另一端下方墊上木墊，輕推小車，讓小車勻速下滑。

②改變鉤碼的個(gè)數(shù)從而改變拉力大小，讀出彈簧測力計(jì)示數(shù)F。

③選取紙帶上比較理想的一段，測出小車加速度a。

④由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)，作a-F圖像。

（3）延伸與拓展

用彈簧測力計(jì)測小車所受拉力，不需要鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，也不需要測鉤碼、滑輪的質(zhì)量。

（三）以光電門為器材測小車加速度

（1）實(shí)驗(yàn)原理

小車質(zhì)量不變，探究小車加速度與合外力的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，如同上述需要平衡摩擦力，用刻度尺測量遮光條寬度為d，兩個(gè)光電門間距離為s。

②測力計(jì)稱量重物為mg。

③將小車從光電門A的左側(cè)由靜止釋放，與光電門連接的數(shù)字計(jì)時(shí)器測量遮光片經(jīng)過光電門A、B所用的時(shí)間tA、tB，由速度公式v=dt測得物塊的初速度和末速度;由運(yùn)動學(xué)公式2as=v2B-v2A求出物塊加速度a。

④得到若干組數(shù)據(jù)，描點(diǎn)作圖，作a-mg圖像。

（3）延伸與拓展

①用光電門替換打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，避免打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與紙帶摩擦和測量紙帶長度時(shí)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。

②實(shí)驗(yàn)要求重物質(zhì)量遠(yuǎn)小于物塊質(zhì)量從而減少誤差。

（四）光電門、氣墊導(dǎo)軌、力電傳感器測加速度、拉力

（1）實(shí)驗(yàn)原理

小車質(zhì)量不變，探究小車加速度與合外力的關(guān)系。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

①實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，用刻度尺測量遮光條寬度為d，兩個(gè)光電門間距離為s。

②將小車從光電門A的右側(cè)靜止釋放，與光電門連接的數(shù)字計(jì)時(shí)器測量遮光片經(jīng)過光電門A、B所用的時(shí)間分別為tA、tB，求出滑塊加速度a。

③由力傳感器測量滑塊所受細(xì)線拉力F。

④由若干組數(shù)據(jù)，描點(diǎn)作a-F圖像。

（3）延伸與拓展

①氣墊導(dǎo)軌代替長木板，物塊與導(dǎo)軌間無摩擦作用，不計(jì)摩擦力。

②力傳感器測量滑塊所受的細(xì)線拉力，不需要測鉤碼與物塊的重力。

三、 小結(jié)

物理實(shí)驗(yàn)是高中物理教師教學(xué)重點(diǎn)之一，也是學(xué)生探究物理過程的必備能力，教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，將所學(xué)物理知識與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ袡C(jī)結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而加深對理論的理解與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛頓運(yùn)動定律：概述[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2016（9）：278.

[2]黃佳.創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)讓物理學(xué)習(xí)回歸本源：以“牛頓運(yùn)動定律的綜合應(yīng)用”為例[J].物理教師，2018，39（11）：59-60.

作者簡介：

楊學(xué)云，重慶市，重慶市云陽縣教育科學(xué)研究所。