牛頓第三定律探究實驗的優化設計

王曉娟 張松俊

（1.常熟理工學院，江蘇 常熟 215500；2.江蘇省丹陽高級中學，江蘇 丹陽 212300）

牛頓第三定律是力學三大基本定律之一，揭示了力的本質，說明了力是物體間的相互作用.通過簡單的實驗演示，將抽象的物理概念直觀展現出來，可以幫助學生深入理解牛頓第三定律，有效建立相互作用的概念，［1］更有助于學生物理學核心素養的生成和能力提升.［2］牛頓第三定律的基本表述是：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上.因此，目前高中物理教材中采用圖1所示的實驗裝置探究演示牛頓第三定律，即用兩個力傳感器互拉，通過電腦顯示相互作用力大小相等、方向相反、同變化、同消失等性質.［3］也有一些改進性實驗，采用浮力、磁力等其他形式的力來進行探究演示.［4］但是，在上述探究演示中，作用力和反作用力在同一條直線上，即“共線”性質的驗證，普遍比較模糊，影響了學生對牛頓第三定律的深入理解.

圖1 傳統牛頓第三定律實驗演示

針對上述問題，本文設計了具有特定弧形軌道，可任意改變兩個相互作用物體連線與中軸線夾角的實驗裝置，較好地展現了作用力和反作用力共線的性質，定量探究了作用力和反作用力共線的基本特性.

1 實驗原理

實驗裝置的設計圍繞驗證作用力和反作用力大小相等、方向相反、作用共線特征，重點展示相互作用力共線，同時產生、同時變化、同時消失.實驗裝置的原理如圖2所示.在同一水平面上安裝兩個電子秤，其中電子秤A可繞軸心（固定軸承）自由轉動，電子秤B可沿弧形滑槽移動.每個電子秤用細線連接一小鐵球，將小球B置于繞有線圈的鐵芯上.當線圈通過直流電流時，小鐵球B將被磁化，與小鐵球A之間通過磁力相互作用.調節電源電壓，改變線圈電流，小鐵球B磁性發生變化，兩球之間的相互作用力隨之改變，兩電子秤示數發生變化.開啟或關閉電源，相互作用力隨之產生或消失，兩電子秤示數亦同步產生或消失.緩慢移動基座，使電子秤B和小球B同步移動至某一位置，小球A會在小球B磁力作用下通過細線帶動電子秤A隨之轉動.當小球A和電子秤A轉動停止時，根據兩個電子秤讀數，可以判斷二力是否大小相等；通過量取兩細線與中軸線的夾角是否相等來判定相互作用力是否共線，從而直觀驗證牛頓第三定律的共線特性.

圖2 實驗原理圖

2 實驗裝置的制作

實驗裝置的基本構造和實物如圖3所示，裝置的制作步驟如下.

圖3 實驗裝置俯視圖

（1）取一塊長65 cm、寬50 cm的木工板，作為下層平板.將長33 cm，寬30 cm、厚約5 mm的有機玻璃，作為上層平板.電子秤A固定于上層平面板右端，上層玻璃板左端加工成以電子秤A軸承孔中心為圓心的弧形，其半徑為32.5 cm.下層木板左端用鋁板制作一半徑為62 cm（同樣以電子秤A軸承孔中心為圓心）、高度為85 mm的弧形滑槽，將電子秤B置于該弧形滑槽上.如圖4所示.

圖4 實驗裝置剖面示意圖

（2）以上層平板電子秤A的軸承孔中心為圓心，在下層平板上安裝兩條半徑分別為31 cm和37 cm的弧形導電軌道，如圖3（a）所示.導電軌道用直徑5 mm的銅管制作而成.

（3）取6.5喇叭的磁鐵作為鐵芯，在鐵芯上繞直徑1.35 mm的漆包線200匝左右.將帶線圈的鐵芯固定在尺寸為75 mm×75 mm的有機玻璃底座上，即圖4中的線圈底座.線圈底座下面安裝一對間距為55 mm的銅滑輪，將線圈的兩頭分別連接在兩個銅滑輪上，通過銅滑輪將直流電流引入線圈.

（4）在線圈底座的銅滑輪下面，還要制作一個帶一組銅軌道的有機玻璃平臺（90 mm×80 mm），即圖4中的移動座.銅軌道間距55 mm，銅軌道用直徑5 mm的銅管制成.移動座下面安裝一組銅滑輪，間距與兩弧型導電軌道的間距相同，使移動座能在兩弧型導電軌道上移動.用導線將兩個銅滑輪與移動座平臺上面的兩銅軌道分別連接.該移動座用板與鋁板弧形滑槽上電子秤B的底座相連接，便于移動座帶動電子秤B在弧形滑槽上一起移動.

（5）小鐵球A用細線與電子秤A相連，在鐵芯中央固定一小鐵球B，小鐵球B中間穿細線與電子秤B相連.電子秤與小球之間的連線用直徑0.6 mm的漆包線，以避免連線的延伸.

（6）通過改裝20 A、5 V直流電源，可以使直流電源的輸出電壓在4-6 V之間變化，如圖5所示.

圖5 電器連接示意圖

（7）在12 V微型直流電機輸出軸上安裝偏心輪，獲得微型振動泵，通過微震動來減小滑輪摩擦力對實驗的影響.

3 實驗演示和數據結果

（1）將電子秤B和小鐵球B置于中軸線位置，小鐵球A偏離中軸線擺放.開啟電源，線圈通電產生磁場使小鐵球B磁化.受到小鐵球B的磁力作用，小鐵球A與電子秤A之間的連線會迅速歸于中軸線，與電子秤B和小鐵球B之間的連線呈一條直線；同時，兩個電子秤上顯示出相同讀數（在誤差范圍內）.這個結果表明：兩小球之間的相互作用力大小基本相等（摩擦力有影響），作用在同一條直線上.

（2）調節電源電壓，改變通電線圈的電流，兩電子秤顯示的讀數會隨電壓的變化同步增大或減小.

（3）將移動座在導電軌道上左右移動，帶動弧形滑槽上的電子秤同步移動，記下小球B的細線與中軸線的夾角；同時，小球A也跟著移動，記下小球A靜止時細線與中軸線的夾角，不同角度重復幾次，發現兩夾角幾乎相同，如表1所示，結果表明兩小球的連線在一條線上.

表1 實驗演示數據記錄表

（4）關閉電源，兩電子秤顯示的引力同時歸零.

根據上述實驗現象和測量的實驗數據，結果表明：通過改變作用力的大小和作用力的方向，在誤差允許的范圍內，兩小球的相互作用力大小相同，方向相反并始終在同一直線上，同時產生、變化、消失，較好地呈現了牛頓第三定律.

4 結論

為解決牛頓第三定律實驗演示中“共線”效果較差的問題，本文設計了一款較好演示牛頓第三定律的實驗裝置.該裝置利用磁化鐵球與普通鐵球之間的磁力產生相互作用力，通過與兩個小球連接的電子秤顯示作用力的大小，利用兩個小球與各自電子秤之間的連線與裝置中軸線之間的角度來展示作用力的方向.實驗裝置較好地展現了相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上的性質.利用該實驗裝置進行課堂教學，并將牛頓第三定律的實驗教學由驗證性變為探究性，［5］提供了學生科學思維和科學探究的有效途徑.這有利于幫助學生發現問題、分析問題，構建探究思路、收集證據、合理推理、科學論證、最終解決問題并得出結論，并有效提升學生物理學核心素養中的關鍵能力.