“驗證牛頓第二定律”實驗考點分析

彭俊勉

【關鍵詞】 物理教學；“牛頓第二定律”；考點分析

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 1004—0463（2017）08—0119—01

“驗證牛頓第二定律”是高中物理力學實驗的核心，本實驗通過控制變量法討論了力與運動的關系，驗證了牛頓第二定律F合=ma.由于涉及較多的知識點，需要較強的綜合分析能力，學生往往顯得無從下手，造成學習障礙.如果將實驗考點進行分解，可以幫助學生理清思路、深入淺出、簡化難點.

一、原始實驗分析

如何準確地設計并測量出小車加速運動時受到的合外力是本實驗的核心考點.實驗中用天平測出小車和砝碼的總質量M，小盤和砝碼的總質量m，把測量結果記錄下來.

1. 平衡摩擦力.實驗中通過設置斜面，使得小車沿斜面勻速下滑（紙帶打出的點跡均勻），消除摩擦力的影響.考點分解：

（1）物體沿斜面勻速直線運動的條件mgsinθ=μmgcosθ（即μ=tanθ），因此實驗中改變小車的質量，不需要重新平衡摩擦力.

（2）物體勻速直線運動時F合=0，因此小車在牽引力的作用下加速運動時F合=Ft（細繩的牽引力）.

2. 細繩的牽引力不容易實時測量，因此用小盤和砝碼的總重力代替細繩的牽引力Ft≈mg（M≥m）.

3. 數據處理考點分解：

（1）通過分析打點計時器打出紙帶上的點跡，計算瞬時速度，逐差法計算加速度.

（2）采用圖象處理數據.作出a-F圖象，分析圖象不過坐標原點的原因；明確F逐漸增大時（不再滿足M≥m時），圖象向橫軸偏折.作出a-1/M圖象，驗證F合一定時，a與M成反比.

二、變式實驗分析

變式實驗中通常設計兩個關鍵步驟，首先通過勻速直線運動（F合=0）得到摩擦力的處理方法.其次通過加速直線運動分析F合，確定是否需要滿足M≥m，并且改變實驗數據的測量方法.

1. 原始實驗通過斜面平衡摩擦，變式實驗摩擦力的處理方法：

（1）通過水平方向小車做勻速直線運動測量摩擦力Ff，驗證F合=Ft-Ff=Ma.

（2）通過豎直方向物體向上加速運動受到阻力為mg，驗證F合=Ft-mg=Ma.

2.原始實驗Ft≈mg，存在系統誤差.變式實驗采用小車上固定力的傳感器、細繩上連接彈簧測力計，實時測量Ft.由于沒有用mg代替Ft，所以不需要滿足M≥m.

3.原始實驗中通過打點計時器打出的紙帶分析數據，變式實驗通過安裝光電門測量瞬時速度，計算得到加速度.

三、實例分析

例 水平軌道上安裝兩個光電門，小車上固定有力傳感器和擋光板，細線一端與力傳感器連接，另一端跨過定滑輪掛上砝碼盤.實驗首先保持軌道水平，通過調整砝碼盤里砝碼的質量讓小車做勻速運動以實現平衡摩擦力.并在實驗中獲得以下測量數據：小車、力傳感器和擋光板的總質量M，平衡摩擦力時砝碼和砝碼盤的總質量m0，擋光板的寬度d，光電門1和2的中心距離s，某次實驗過程：力的傳感器讀數為Ft，小車通過光電門1和2的擋光時間分別為t1、t2（小車通過光電門2后，砝碼盤才落地）.

實驗分析：

1.通過小車勻速直線運動，Ff=m0g，測量出摩擦力，以實現平衡摩擦.當改變小車質量時，需要重新測量摩擦力.

2.小車安裝力傳感器，實時測量Ft，實驗中不需要滿足M≥m.

原始實驗設計的亮點在于，首先是摩擦力的處理中借用斜面的特點，十分巧妙地避免了重復操作.其次設計的系統誤差正是該實驗的考究之處，它不僅讓學生深刻體會系統誤差是由于實驗本身設計的缺陷引起的，并且圍繞此命題展開的分析方法及實驗改進方案，升華了學生的思維水平.通過反復訓練發現，首先要確定研究對象，圍繞研究對象分析實驗中摩擦力的處理方法，其次明確研究對象加速運動時受到的合外力，得到力與運動的關系.通過將問題分解的方法，逐步達到解決問題的目的.

編輯：謝穎麗