巧用“相向?qū)ψ矊?shí)驗(yàn)法”驗(yàn)證牛頓第二定律

劉召新

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 制作背景

“4.2 實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理·必修1》中的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，是“牛頓第二定律”教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分.課本上提供的實(shí)驗(yàn)方案：如圖1單車軌道實(shí)驗(yàn)，這個(gè)方案雖能夠多方位鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ珜?shí)驗(yàn)過程繁瑣，實(shí)驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)，只適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)而不適合課堂演示實(shí)驗(yàn).圖2雙車對(duì)比實(shí)驗(yàn)，雖然簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程，但是實(shí)驗(yàn)裝置難以達(dá)到要求，特別是兩輛車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間同步.盡管設(shè)計(jì)者在硬件裝置做了各種改進(jìn)，但是沒有本質(zhì)上解決小車發(fā)生的位移時(shí)間相等.筆者本人經(jīng)過多年反復(fù)的探索和研究，轉(zhuǎn)變了思路，終于自制了操作簡(jiǎn)便、原理更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)儀器．

圖1 單車軌道實(shí)驗(yàn)

圖2 雙車對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)儀器的制作原理

3 實(shí)驗(yàn)儀器的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

如圖3所示，將1號(hào)、2號(hào)兩輛小車中間水平開孔，懸掛吊桶的細(xì)繩從中穿過，使得1號(hào)車的拉力指向2號(hào)車，2號(hào)車的拉力指向1號(hào)車，最終能在拉力作用下相向運(yùn)動(dòng)并正面撞擊.鋁合金軌道經(jīng)過改造使其兩端帶有定滑輪，并且加裝電磁鐵保證了小車釋放的同時(shí)性.

利用吊桶的拉力對(duì)小車進(jìn)行平衡摩擦力，規(guī)避了相向運(yùn)動(dòng)小車摩擦力平衡的難題，并且利用銅絲的長(zhǎng)短改變吊桶的重量，以達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)的效果，最終保證1號(hào)車和2號(hào)車在只有吊桶拉力作用下能夠勻速直線運(yùn)動(dòng).

在1號(hào)小車撞擊端安裝噴點(diǎn)裝置，當(dāng)兩車相向撞擊時(shí)，擠壓墨水從針管針尖瞬間噴出，高速飛出的墨水噴射到軌道上的刻度尺上面，能夠準(zhǔn)確記錄兩輛小車相同時(shí)間t內(nèi)發(fā)生的位移x.

采用加工改造過的三角支架，不但保障了實(shí)驗(yàn)時(shí)軌道的高度，而且便于進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，還很輕巧，便于攜帶，便于不同場(chǎng)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖3 自制新型牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)儀

4 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 將本實(shí)驗(yàn)裝置放在水平地面上，調(diào)節(jié)三角支架觀察水平儀進(jìn)行調(diào)節(jié)水平.

(2)改變吊桶的重量，分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)車進(jìn)行平衡摩擦力.

(3)啟動(dòng)電磁鐵，將兩個(gè)小車靜置于軌道的兩端.

(4)控制車質(zhì)量M一定，改變吊桶質(zhì)量以改變拉力F，記錄吊桶增加的質(zhì)量m1，m2和兩車的位移x1，x2,如表1所示(探究加速度a與力F的關(guān)系)，改變吊桶質(zhì)量m(F),重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次.

表1 探究加速度a與力F的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)論1：小車質(zhì)量M一定，a與F成正比，即a∝F.

(5)控制吊桶質(zhì)量m一定以控制拉力F不變，改變車質(zhì)量M.記錄兩車的總質(zhì)量M1,M2和兩車的位移x1,x2,如表2所示(探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系)，改變車質(zhì)量M,重復(fù)實(shí)驗(yàn)5次.

表2 探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系

(6)歸納總結(jié)結(jié)論：a與F成正比，與M成反比.

5 該裝置的特點(diǎn)

(1)設(shè)計(jì)思路巧妙，采用“相向?qū)ψ擦糅E法”提高了兩車位移x1和x2記錄的準(zhǔn)確性.

(2)利用電磁鐵控制小車的釋放，保證了兩車運(yùn)動(dòng)的同時(shí)性.

(3)通過改變吊桶的重量平衡小車的摩擦力，保證了小車的實(shí)驗(yàn)前合力為零.

(4)采用三角支架作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)，保證了操作的高度要求，整個(gè)裝置輕巧便攜.