牛頓第二定律快速演示儀的研制

陽瑞霖 李志強(qiáng) 顏艷梅 黃晨 姜倩

摘 要：為便于學(xué)生更好地理解牛頓第二定律中加速度、力和運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量三者之間的關(guān)系，文章研制了新型牛頓第二定律快速演示儀。該演示儀依據(jù)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中相同時(shí)間內(nèi)加速度與位移之間成正比的關(guān)系，將加速度的大小通過位移來表示，再采用相互平行的三層軌道，通過控制變量法實(shí)現(xiàn)牛頓第二定律快速教學(xué)演示，減少了演示時(shí)間，讓學(xué)生更直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，不斷激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)效果，能夠較好地幫助學(xué)生定性認(rèn)識(shí)該物理學(xué)定律。

關(guān)鍵詞：牛頓第二定律；直觀觀察；教學(xué)演示

在高中物理教材中，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律[1]實(shí)驗(yàn)演示裝置是由具有一定質(zhì)量的小車、與小車配置使用的牽拉繩、定滑輪、砝碼以及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等構(gòu)成。雖然上述演示裝置理論上可以幫助學(xué)生對(duì)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律有一個(gè)定量的認(rèn)識(shí)，然而目前在教學(xué)應(yīng)用過程中的普遍狀況是：學(xué)校購入了演示儀器，老師卻不愿意在實(shí)際教學(xué)中使用?；饕蚴菍?shí)驗(yàn)過程中需要注意的點(diǎn)較多，一旦出現(xiàn)失誤操作，整個(gè)實(shí)驗(yàn)就需要重新開始，這對(duì)于一節(jié)物理課40～45 min來說，時(shí)間往往是不夠的?；谏鲜鏊悸?，設(shè)計(jì)一種幫助學(xué)生定性認(rèn)識(shí)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的實(shí)驗(yàn)演示裝置就顯得很有必要[2-3]。

1 快速演示原理

牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律快速演示儀，采用三層軌道結(jié)構(gòu)，由上往下依次設(shè)置且相互平行的上層軌道、中層軌道及下層軌道。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，1為上層軌道，2為中層軌道，3為下層軌道，4為運(yùn)動(dòng)小車，5為鉤碼，6為牽引繩，7為拉繩，8為定滑輪，9為拉繩控制機(jī)構(gòu)，10為牽引繩控制機(jī)構(gòu)，11為定位板。

牛頓第二定律的內(nèi)容是物體的加速度a跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量m成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。即：

F=ma （1）

采用控制變量法，首先保證運(yùn)動(dòng)小車的質(zhì)量不變，來探究加速度與運(yùn)動(dòng)小車所受合外力之間的關(guān)系，接下來保持運(yùn)動(dòng)小車所受的合外力不變，來探究加速度與運(yùn)動(dòng)小車的質(zhì)量之間的關(guān)系，最后綜合得到上述三者之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)裝置中的小車在合外力的作用下改變小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該運(yùn)動(dòng)是一種初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)學(xué)中初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中位移：

S=at2/2 （2）

（2）式表示運(yùn)動(dòng)小車相同時(shí)間內(nèi)加速度與位移之間成正比的關(guān)系，將加速度的大小通過位移來表示。將（1）式代入（2）式得到：

S=F/（2Mt2） （3）

中間層小車所受合外力為F0，運(yùn)動(dòng)小車的質(zhì)量為m0，運(yùn)動(dòng)的位移S0，依據(jù)（3）式，上層小車保持小車的質(zhì)量不變，其質(zhì)量為m1= m0，所受合外力為F1，則運(yùn)動(dòng)的位移S1為：

S1=（F1/F0）·S0 （4）

下層小車保持所受合外力不變，其合外為F2= F0，小車的質(zhì)量為m2，則運(yùn)動(dòng)的位移S2為：

S2= （m2/m0）·S0 （5）

2 測試與分析

連接好演示儀裝置，通過調(diào)節(jié)裝置來平衡小車運(yùn)動(dòng)的摩擦力，直至小車在軌道上保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。其中中間參考層運(yùn)動(dòng)小車的質(zhì)量為200 g，由1個(gè)10 g的鉤碼產(chǎn)生合外力；上層運(yùn)動(dòng)小車的質(zhì)量仍為200 g，由2個(gè)10 g的鉤碼產(chǎn)生合外力；下層在運(yùn)動(dòng)小車的上面增加2個(gè)50 g的鉤碼，運(yùn)動(dòng)小車的總質(zhì)量為300 g，由1個(gè)10 g的鉤碼產(chǎn)生合外力。在上述相同的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)操作，其測試結(jié)果如表1所示。

牛頓第二定律快速演示儀裝置3次測量結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，上層運(yùn)動(dòng)小車的誤差較下層運(yùn)動(dòng)小車的誤差大，這是由于上層運(yùn)動(dòng)小車所受的合外力的鉤碼質(zhì)量接近于運(yùn)動(dòng)小車的質(zhì)量，其誤差就越大；下層運(yùn)動(dòng)小車所受的合外力的鉤碼質(zhì)量小于運(yùn)動(dòng)小車的質(zhì)量，所以其誤差越小[4]。測量結(jié)果表明，該牛頓第二定律快速演示儀的結(jié)果能夠滿足中學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的新型牛頓第二定律快速演示儀減少了演示時(shí)間，讓學(xué)生更直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，便于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，能夠較好地幫助學(xué)生定性認(rèn)識(shí)該物理學(xué)定律。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李維兵.五版本教材牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析[J].教學(xué)與管理，2016（16）：54-57.

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[3]SAGLAMARSLAN A，DEVECIOGLU Y.Student teachers levels of understanding and model of understanding about Newtons laws of motion[J].Asia-Pacific Forum on Science Learning and Teaching，2010（1）：20.

[4]郭宇虹.牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中的誤差及減小的措施[J].龍巖學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（3）：28-30.