驗證牛頓運動定律教材實驗及實驗創新

摘 要：驗證牛頓運動定律實驗是高中物理教材中最為重要的實驗之一，涉及高中物理學科核心素養的多個方面，如科學探究、研究方法、數據處理、誤差分析等，對學生的思維分析及實驗操作能力提出了較高要求。本文從高中物理教材中基礎實驗延伸到實驗創新，對一線物理師教學提供有價值的參考。

關鍵詞：原理;器材;步驟;誤差;延伸;拓展

一、 教材實驗

（一）實驗原理

（1）小車質量M不變，探究小車加速度a與所受合外力F的關系。

（2）小車所受合外力F不變，探究小車加速度a與它質量M的關系。

（3）根據實驗數據以a為縱坐標、F為橫坐標，作出a-F圖像;以a為縱坐標、1M為橫坐標作出a-1M圖像。

（二）實驗器材

小車、砝碼、掉盤、細線、一端附有固定滑輪的長木板、木墊、打點計時器、低壓交流電源、導線、紙帶、天平、刻度尺。

（三）實驗步驟

（1）用天平測量掉盤和砝碼的質量m和小車的質量M。

（2）在長木板固定滑輪的另一端下方墊上木墊，輕推小車，讓小車勻速下滑。

（3）如圖1所示，將懸掛掉盤的細線通過固定滑輪系在小車上。

（4）紙帶通過打點計時器與小車相連。

（5）讓小車靠近打點計時器，先接通電源后釋放小車。

（6）斷開電源，取下紙帶，選取一段比較理想的部分，測出加速度a。

（7）保持小車的質量M不變，改變小盤和砝碼的質量m，重復步驟（4）（5）（6）。

（8）得到若干組實驗數據以a為縱坐標、mg代替F為橫坐標，作出a-F圖像。

（9）保持掉盤和砝碼的質量m不變即小車所受拉力不變，改變小車質量M，重復步驟（4）（5）（6）。

（10）由若干組數據以a為縱坐標、1M為橫坐標作出a-1M圖像。

（四）誤差分析

（1）實驗原理不完善：本實驗用掉盤和砝碼的總重力mg代替小車的拉力，實際小車所受的拉力小于掉盤和砝碼的總重力。

（2）質量稱量、紙帶計數點間距測量精度不準。

（3）平衡摩擦力不到位;紙帶和細繩與木板不平行等因素均會導致實驗誤差。

二、 驗證牛頓第二定律實驗延伸與拓展

（一）天平測質量

（1）實驗原理

保持小車、砝碼、掉盤總質量不變，探究它們加速度與合外力的關系。

（2）實驗步驟

①設小車、砝碼、掉盤總質量為M，改變小盤中砝碼個數，增減放到小車上，從而改變拉力大小，實驗裝置如圖1所示。

②用天平稱量掉盤和砝碼的質量為m，重力為mg。

③選取紙帶上一段比較理想的部分，測出加速度a。

④由若干組實驗數據以a為縱坐標、mg代替F為橫坐標，作a-mg圖像。

（3）延伸與拓展

將系統作為研究對象，掉盤和砝碼總重力作為拉力，不需要滿足小車所受的拉力遠小于掉盤和砝碼的總重力，避免了實驗原理的局限性。

（二）彈簧測力計測小車所受的拉力

（1）實驗原理

小車質量不變，探究小車加速度與合外力的關系。

（2）實驗步驟

①實驗裝置如圖2所示。不掛鉤碼、滑輪、彈簧測力計時在長木板固定滑輪的另一端下方墊上木墊，輕推小車，讓小車勻速下滑。

②改變鉤碼的個數從而改變拉力大小，讀出彈簧測力計示數F。

③選取紙帶上比較理想的一段，測出小車加速度a。

④由實驗數據以a為縱坐標、F為橫坐標，作a-F圖像。

（3）延伸與拓展

用彈簧測力計測小車所受拉力，不需要鉤碼的質量遠小于小車質量，也不需要測鉤碼、滑輪的質量。

（三）以光電門為器材測小車加速度

（1）實驗原理

小車質量不變，探究小車加速度與合外力的關系。

（2）實驗步驟

①實驗裝置如圖3所示，如同上述需要平衡摩擦力，用刻度尺測量遮光條寬度為d，兩個光電門間距離為s。

②測力計稱量重物為mg。

③將小車從光電門A的左側由靜止釋放，與光電門連接的數字計時器測量遮光片經過光電門A、B所用的時間tA、tB，由速度公式v=dt測得物塊的初速度和末速度;由運動學公式2as=v2B-v2A求出物塊加速度a。

④得到若干組數據，描點作圖，作a-mg圖像。

（3）延伸與拓展

①用光電門替換打點計時器，避免打點計時器與紙帶摩擦和測量紙帶長度時產生的實驗誤差。

②實驗要求重物質量遠小于物塊質量從而減少誤差。

（四）光電門、氣墊導軌、力電傳感器測加速度、拉力

（1）實驗原理

小車質量不變，探究小車加速度與合外力的關系。

（2）實驗步驟

①實驗裝置如圖4所示，將氣墊導軌放在水平桌面上，用刻度尺測量遮光條寬度為d，兩個光電門間距離為s。

②將小車從光電門A的右側靜止釋放，與光電門連接的數字計時器測量遮光片經過光電門A、B所用的時間分別為tA、tB，求出滑塊加速度a。

③由力傳感器測量滑塊所受細線拉力F。

④由若干組數據，描點作a-F圖像。

（3）延伸與拓展

①氣墊導軌代替長木板，物塊與導軌間無摩擦作用，不計摩擦力。

②力傳感器測量滑塊所受的細線拉力，不需要測鉤碼與物塊的重力。

三、 小結

物理實驗是高中物理教師教學重點之一，也是學生探究物理過程的必備能力，教師在物理實驗教學過程中，將所學物理知識與實驗能力有機結合，通過實驗驗證，從而加深對理論的理解與應用。

參考文獻：

[1]牛頓運動定律：概述[J].當代教育實踐與教學研究，2016（9）：278.

[2]黃佳.創新物理實驗讓物理學習回歸本源：以“牛頓運動定律的綜合應用”為例[J].物理教師，2018，39（11）：59-60.

作者簡介：

楊學云，重慶市，重慶市云陽縣教育科學研究所。