巧用“相向對撞實驗法”驗證牛頓第二定律

劉召新

(余姚市第四中學 浙江 寧波 315400)

1 制作背景

“4.2 實驗：探究加速度與力、質量的關系”是人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修1》中的重點教學內容，是“牛頓第二定律”教學內容的重要組成部分.課本上提供的實驗方案：如圖1單車軌道實驗，這個方案雖能夠多方位鍛煉學生的實驗能力，但實驗過程繁瑣，實驗用時較長，只適合學生分組實驗而不適合課堂演示實驗.圖2雙車對比實驗，雖然簡化了實驗過程，但是實驗裝置難以達到要求，特別是兩輛車運動的時間同步.盡管設計者在硬件裝置做了各種改進，但是沒有本質上解決小車發生的位移時間相等.筆者本人經過多年反復的探索和研究，轉變了思路，終于自制了操作簡便、原理更科學的實驗儀器．

圖1 單車軌道實驗

圖2 雙車對比實驗

2 實驗儀器的制作原理

3 實驗儀器的主要結構和功能介紹

如圖3所示，將1號、2號兩輛小車中間水平開孔，懸掛吊桶的細繩從中穿過，使得1號車的拉力指向2號車，2號車的拉力指向1號車，最終能在拉力作用下相向運動并正面撞擊.鋁合金軌道經過改造使其兩端帶有定滑輪，并且加裝電磁鐵保證了小車釋放的同時性.

利用吊桶的拉力對小車進行平衡摩擦力，規避了相向運動小車摩擦力平衡的難題，并且利用銅絲的長短改變吊桶的重量，以達到連續調節的效果，最終保證1號車和2號車在只有吊桶拉力作用下能夠勻速直線運動.

在1號小車撞擊端安裝噴點裝置，當兩車相向撞擊時，擠壓墨水從針管針尖瞬間噴出，高速飛出的墨水噴射到軌道上的刻度尺上面，能夠準確記錄兩輛小車相同時間t內發生的位移x.

采用加工改造過的三角支架，不但保障了實驗時軌道的高度，而且便于進行水平調節，還很輕巧，便于攜帶，便于不同場合進行實驗.

圖3 自制新型牛頓第二定律實驗儀

4 實驗過程

(1) 將本實驗裝置放在水平地面上，調節三角支架觀察水平儀進行調節水平.

(2)改變吊桶的重量，分別對1號、2號車進行平衡摩擦力.

(3)啟動電磁鐵，將兩個小車靜置于軌道的兩端.

(4)控制車質量M一定，改變吊桶質量以改變拉力F，記錄吊桶增加的質量m1，m2和兩車的位移x1，x2,如表1所示(探究加速度a與力F的關系)，改變吊桶質量m(F),重復實驗5次.

表1 探究加速度a與力F的關系

實驗結論1：小車質量M一定，a與F成正比，即a∝F.

(5)控制吊桶質量m一定以控制拉力F不變，改變車質量M.記錄兩車的總質量M1,M2和兩車的位移x1,x2,如表2所示(探究加速度a與質量M的關系)，改變車質量M,重復實驗5次.

表2 探究加速度a與質量M的關系

(6)歸納總結結論：a與F成正比，與M成反比.

5 該裝置的特點

(1)設計思路巧妙，采用“相向對撞留跡法”提高了兩車位移x1和x2記錄的準確性.

(2)利用電磁鐵控制小車的釋放，保證了兩車運動的同時性.

(3)通過改變吊桶的重量平衡小車的摩擦力，保證了小車的實驗前合力為零.

(4)采用三角支架作為實驗臺，保證了操作的高度要求，整個裝置輕巧便攜.