《驗證牛頓第二定律》實驗裝置的探究

李清

摘 要：教育部在2014年提出“中國學生發展核心素養”理念，根據這一理念需要培養學生的評估數據的能力、創新思維、設計實驗探究方案的能力、獲取數據的能力、分析論證的能力、合作與交流討論的能力，另外還有學生能準確表述、評估和反思總結實驗探究過程和結果的能力。

關鍵詞：實驗原理;實驗裝置;驗證;探究

《驗證牛頓第二定律》是高中物理《高考考試大綱》規定七個之一的力學實驗。實驗涉及研究對象受到的合外力F合、質量M和加速度a的測量數據，通過分析它們的數據找出三者的相互關系，是《高考考試大綱》考查實驗中難點之一，受到高考命題人的青睞。本文從實驗原理入手設計實驗裝置進行實驗探究，以小組（每組6人最佳）為單位的形式，每個組員至少分別設計一個測合外力F合和加速度a的方案，小組內再進行可行性討論與交流，形成可操作性的方案，每個小組上交評估后的可行性方案給教師，教師評估可行后再在實驗室實驗驗證。

一、設計測量合外力F合的實驗裝置

1.設計思路

（1）確定研究對象：小車（或滑塊）

（2）研究對象的受力分析

（3）根據F合=F-f可知，要測出F合就必須測出細繩拉力F和摩擦力

由于設計測量摩擦力f會增加學生設計難度和實驗復雜程度，最好采用平衡摩擦力的方法或利用氣墊導軌。建議設計平衡摩擦力f實驗方案等完成實驗后作為拓展實驗留個學生思考。

（4）平衡摩擦力f：教師引導學生思考平衡摩擦力f的原理

2.測小車（滑塊）受到的合力F實驗裝置案例分析

（1）用物體重力作為小車（滑塊）受到的合力F實驗裝置

圖3裝置來源教材，易設計符合學生的最近發展區，但會帶來系統誤差。對高中生來說，減小系統誤差是難點，部分學生難以突破這個難點，教材為減輕學生思維難點直接用砝碼及砝碼盤的重力作為小車（滑塊）受到的合力F，但帶來小車（滑塊）質量遠遠大于砝碼及砝碼盤質量的限制條件。

（2）用彈簧測力計測小車（滑塊）受到的合力F

圖4裝置實驗器材簡單，可操作性差，精確度低。建議學生在實驗室進行驗證時操作圖4裝置。圖5裝置避免圖4裝置的不足，保證實驗的可操作性和精確度的同時充分利用實驗室器材，具有一定的創新性。學生利用動滑輪的特點，測出小車（滑塊）受到的合力F。

（3）用拉力傳感器測小車（滑塊）受到的合力F（如圖6）

圖6裝置只是在圖3裝置基礎上增加力的傳感器，該裝置精確度高，可操作性好，同時避免了實驗的系統誤差。不足之處在于一般學校沒有力的傳感器，不便于實驗操作驗證。

二、設計測量加速度a的實驗裝置

該實驗原理在教材前一章已經學習，具有一定的基礎和經驗，學生比較容易想到而設計出圖7裝置。但在實際操作過程中涉及比較復雜的計算過程，精確度不高，容易造成數據失真，干擾結論的形成。

2.原理：vt2-v02=2as（如圖8）

利用光電門測出通過A、B點的時間，由數字計時器能直接得出A、B點的速度，用刻度尺測量光電門A、光電門B之間的距離x，再根據原理vt2-v02=2as很容易得出小車（滑塊）的加速度。

三、測量車（滑塊）質量M：直接用學生天平測量不需設計實驗裝置

四、測量細繩拉力F裝置和測量加速度a裝置重組

教師對學生的測量裝置方案進行可行性評估，各學習小組根據教師返回的可行方案進行重組，設計實驗操作過程、數據分析、分析誤差來源、制訂減少誤差措施等。

五、運用重組后的實驗方案進行實驗操作

各學習小組根據重組后的實驗方案，對實驗器材、實驗過程、數據分析、誤差分析和減小誤差的措施進行實驗操作，修正實驗方案。學生以小組形式從實驗原理F=Ma入手，設計測量細繩拉力F裝置和測量加速度a裝置的方案。提升了學生使用科學證據的意識及評估科學數據的能力，提升了學生創新思維;提升了學生設計實驗探究方案及獲取數據的能力;提升了學生的分析論證能力，讓學生會使用各種方法分析、處理數據，會描述和解釋探究實驗過程及結果。提升了學生的合作與交流討論的意愿和能力，具有準確表述，評估和反思總結實驗探究過程和結果，踐行高中物理核心素養的要求。

參考文獻：

李維兵.五版本教材牛頓第二定律實驗的對比分析[J].教學與管理，2016（16）：54-57.

編輯 魯翠紅