自制牛頓第二定律探究儀

馬永毅

(河北省辛集中學,河北辛集 052360)

圖1

人教版課標教材必修1第 4章第 2節(jié)“實驗:探究加速度與力、質量的關系”所給參考案例有3個缺陷.(1)實驗的目的是探究加速度與合力、質量的關系,教材中的實驗設計恰恰在合力上出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差,“小盤和砝碼所受的重力,等于使小車做勻加速運動的力[1](如圖1所示),這兩個力只是近似相等,條件是盤和砝碼的質量要比小車的質量小很多.通過以后的學習我們將會證明這一點.”盤和砝碼的質量要比小車的質量小很多這個條件只能說明盤和砝碼所受重力與繩對小車的拉力近似相等,而小車還受到摩擦力,盤和砝碼的質量越小,小車所受摩擦力就越不能忽略.(2)用教材中所提供的實驗測得的數(shù)據(jù)誤差特別大,無法定量探究加速度與合力、質量的關系.(3)該實驗是兩個小車的對比實驗,研究對象較多使實驗變得復雜,而且也沒有絕對完全相同的兩個小車.

圖2

自制儀器裝置介紹.如圖2所示,研究鉤碼向下的加速運動過程,利用計時器和兩個固定的光電門可測鉤碼通過兩個光電門的時間,由公式x為兩個光電門的間距,確保遮光片掃第一個光電門時速度接近零)可測鉤碼向下運動的加速度;當鉤碼運動時,繩對鉤碼的拉力可通過彈簧秤間接測量為繩上的拉力,F彈簧秤讀數(shù),G0為滑輪重力);右側為配重小桶,通過調整小桶中砝碼的質量來調整鉤碼受到的繩的拉力,進而達到調整鉤碼所受合力的目的.

質量一定,探究加速度與合力的關系(表1),直接測量的物理量為F、t,其余數(shù)據(jù)利用Excel的函數(shù)公式自動算出.從數(shù)據(jù)看出,加速度與繩上的拉力不成正比,而是隨著拉力的減小加速度增大,合力與加速度基本成正比.利用Excel畫出函數(shù)圖像(如圖3所示).

圖3

表1

合力一定,探究加速度與質量之間的關系實驗原理(如 圖4所示).

對系統(tǒng)應用牛頓第二定律得

左右兩邊均去掉很小的質量Δm,(1)式變?yōu)?/p>

整理得

圖4

當 m1≈m2?Δm 時,由(3)式可得

合力一定,探究加速度與質量之間的關系(如表2),利用Excel畫出函數(shù)圖像(如圖5).

圖5

表2

本實驗設計突出了兩點,在質量一定時,加速度是與合力,而非物體受的其他力成正比,合力基本不變時,加速度與質量成反比;實驗數(shù)據(jù)誤差較小,能較為準確地反映實驗結論;實驗操作簡便,適合學生分組實驗,本實驗儀器經多次教學實踐檢驗收到了良好的效果.

1 李克英,畢雄偉,王黎智,楊衛(wèi)國,張雄.用阿德伍德機驗證牛頓第二定律.楚雄師范學院學報,2007,22(9).