新課程下對于牛頓第二定律實驗的優化和改進

郭海軍

在新人教版普通高中課程標準實驗教科書物理必修1中，這個實驗的位置是高中物理教材必修一第四章第二節《實驗：探究加速度與力、質量的關系》。很明顯，新課改將這部分內容單列出來，體現了新課改下對探究性實驗的重視。

在本節實驗教學之前，課本先講述了如何利用圖像判斷兩個物理量之間是正比例關系還是反比例關系。而這個技巧正是同學們以后在工作學習中非常實用的處理數據的技巧和方法。

接下來課本給同學們提出兩個問題：

1.怎么樣測量或比較物體的加速度？

2.怎樣測量并提供物體所受的恒力？

用這兩個問題引導學生進行思考、設計。這會引導學生在以后的實驗及學習當中進行類似的思考和設計。

雖然在課本中除了列出來的兩個參考案例外并沒有明文告訴我們更多的方法和實驗方案，但是有如下文字“如何......有很多可行的方法，下面案例中的方法可供選用，也可設計其他方法。”這就是說，同學們可以天馬行空地發揮自己的創造力和想象力，只要是能探究出來物體的加速度、受力和質量三者之間的關系，并且合理可行，那同學們的實驗方案就可以用來做這個探究實驗。換言之，這個實驗是開放性的，鼓勵利用先進的實驗儀器、鼓勵有創新的實驗設計。現就對幾種典型的創新實驗總結如下：

一、利用氣墊導軌進行牛頓第二定律實驗

1、氣墊導軌的原理：氣墊導軌是一種比較新型的實驗裝置，如圖所示，它替代了傳統的木板（或導軌），通過鼓風機的作用，在軌道和滑片（起到傳統的滑塊的作用）之間形成了一層極薄的空氣層，就像氣墊船行駛在水面上一樣，滑片就會飄在空氣層的表面，這樣便極大的減小了軌道對滑片的摩擦力，從而使得在實驗過程中影響實驗精度的摩擦力的干擾大大削弱，使得實驗精確度得到極大程度的提高。今年來隨著國家對實驗的重視程度提升，和各個學校的實驗條件的優化，有相當一部分的學校已經能用氣墊導軌代替傳統的木板做實驗了。

2、利用氣墊導軌測量滑片的加速度：

在導軌上設置兩個間距為S的光電門，將滑片上面的擋光片的寬度我們標記為ΔL，讓滑片依次通過兩個光電門，將先后通過兩個光電門的時間記為Δt1、Δt2，則我們可以按照以下的方法求出滑片的加速度：

先求出滑片通過兩個光電門的瞬時速度分別為v1=、v

2=，然后利用? 可以求出來滑片在運動過程中的

加速度大小。

3、利用控制變量法完成剩余的實驗步驟，驗證加速度與力、質量的關系。

二、利用DIS系統完成牛頓第二定律實驗

1、DIS是Digital Information System的縮寫，指的是數字化信息技術。DIS的基本機構有傳感器、數據采集器、計算機，在現代技術中，幾乎所有的物理量都可以利用傳感器測量得到，如力、壓強、溫度、電流、光強、位移、速度等等，數據采集器采集得到的數據輸入計算機，便可以由事先編輯好的程序對數據進行加工整理，得到我們想要的實驗結果。

利用DIS做實驗有很多的好處：節省時間，測量便捷，數據處理精度高、速度快。而且，對于這樣的儀器學生具有非常濃厚的興趣。只是DIS系統對于一般的學校而言是很奢侈的，因為這套系統價格昂貴，而且極易由于操作不當而損壞，所以開設的面并不是很廣，但是相信在不久的將來，這樣的實驗系統會進入我們每個物理課堂。

2、本實驗中用到的傳感器有位移傳感器和力傳感器。

將這兩個實驗儀器應用于驗證牛頓第二定律的裝置如下圖所示：

用力傳感器做這個實驗就避免了在本實驗中由于細線拉力與砝碼質量不相等而帶來的誤差，也無需在實驗中考慮砝碼質量遠小于小車質量這一條件，使我們在實驗當中更容易控制實驗條件，而且得到更加精確的實驗結果。而利用位移傳感器做牛頓第二定律的實驗能讓我們對加速度的測量更加精確，而且不需要我們利用打點計時器打紙帶，也避免了紙帶上的計算而帶來的誤差，減少了大量的工作量。如果將兩個實驗的裝置結合起來的話，將會使我們的實驗難度大大降低，實驗精度大大提高。

而且近幾年在高考實驗題的考察中，對于傳感器的應用的考察大大的增多，所以我們在教學的過程中對于這方面的知識要有針對性的予以補充。

三、對新教材中牛頓第二定律實驗的改進方案

在新教材課本上給出的實驗方案有一些不盡如人意的地方，現在我就對這些地方做一些適當的改進。

在這個實驗中不方便控制的一個實驗條件：小車和里面砝碼的總質量要遠大于懸掛的砝碼和砝碼盤的總質量。在我們做實驗的過程中，總會發現，剛開始的時候可能能保證勉強滿足，可是當我們增加砝碼盤中的砝碼質量后，多改動幾次，然后這個實驗條件就不再滿足了，所以在我們描點作圖之后就會得到如圖所示的圖像：

對于這種現象，我將實驗的方法做了一些改進，實驗的裝置圖如下：

（1）如圖安裝實驗儀器，用到的儀器有：一端帶有定滑輪的長木板或軌道、小車一個、打點計時器以及紙帶、沙桶及細砂若干，將小車和沙桶用細線連接，細線跨過定滑輪。

（2）將帶掛輪的長木板的一端墊高，使之與水平方向構成一定的夾角，在沙桶中放入一定量的沙，隨后將小車由靜止釋放，仔細觀察小車的運動情況，看小車是否能夠沿斜面勻速下滑。如果不能，則改變沙桶中沙的質量，直到沙桶的重量能夠保證小車沿斜面勻速下滑。這樣做的目的，是為了保證小車重力沿斜面向下的分力能夠等于小車受到的摩擦力和沙桶及沙的重力之和，即

然后斷開小車和沙桶的細線，則此時，小車受到的合外力就等于沙桶及沙的重力mg，然后打點計時器測量出來小車運動的加速度。用天平測量出來沙桶及沙的總質量，再用加速度為縱坐標，mg為橫坐標畫出平面直角坐標系，則圖線在誤差范圍內必然是一條直線。

通過這個方法就可以消除砝碼盤和內部砝碼的總質量遠小于小車和小車內部砝碼的總質量這個難控制的實驗條件對本實驗的影響，盡量減小實驗誤差。