探究牛顿第二定律实验的设计方案.docx

探究牛顿第二定律实验的设计方案 江苏省泰兴市第四高级中学(225411)杨成方 1概论 牛顿第二定律实验是高中物理必修内容的重点实验之一，是高中物理教学中的一个“经典”实验。但由于器材条件及实验原理本身等各方面原因,做好该实验并不容易。近年来有不少关于改进该实验的文章发表,教师们提出了很多有创意的新设计。其中比较有代表意义的主要有以下3种设计方案。牛顿第二定律实验探究是探究加速度与力、质量的关系，使用的方法是控制变量法。实验的设计思路就是围绕两个关系来拟定的，即质量一定时探究加速度和力的关系；力一定时探究加速度和质量的关系。 2设计方案一 第1种设计方案是现行教材上通用的方案，其实验装置如图1所示。  2.1原理 通过适当调节带滑轮的长木板的倾斜度，平衡掉小车的摩擦力，当M和m做加速运动时，可以得到：  当M?m时，可近似认为小车所受的拉力F等于mg。 2.2设计思路 （1）保持小车的质量M不变，改变m（即拉力）的大小，测出相应的a，探究a与F的关系； （2）保持m不变，改变M的大小，测出小车运动的加速度a，探究a与M的关系。 本设计实验装置简单,实验操作也简单,主要是实验的原理容易理解，易被学生所接受。考虑到高一学生知识水平,一般把所挂重物的重力mg当作小车所受拉力来处理,但这样不可避免地带来了系统误差。这也是这个实验设计方案中唯一的缺点，但也是很重要或者说是致命的问题。为了减少系统误差,左边悬挂的物体质量的可调整范围很小,测量的数据只能集中在一个很小的区域。在实际的学生实验中,存在系统误差与偶然误差的双重影响，这样实验的效果和可信度就大打折扣了。 笔者认为，这个实验还是有改进方法的，既然已经知道有系统误差，不妨沿着这个思路，想办法把系统带来的误差加以避免。  3设计方案二 第2种设计方案是教材课后的习题和材料上出现的，其实验装置如图2所示。  取质量相同的小车（保持M不变），放在光滑的平面上，小车的前端分别栓上细绳，绳子的一端跨过定滑轮，各挂一个小盘，盘里分别放着数量不同的砝码。小车的后端各系上一根细绳，一起用夹子夹住。打开夹子，让两个小车在不同的拉力作用下，同时从静止开始做匀加速运动。经过一段时间后关上夹子，让两个小车同时停下来。改变盘子里所放砝码的数量，可以改变小车所受拉力F的大小。由位移公式x=1/2at2可知，两小车的运动时间相同，故位移x和加速度a成正比。实验中只要测量位移x和砝码的质量(即F大小)，获得位移x和拉力F之间的关系，就得到了加速度a和拉力F之间的关系。然后在小车中放上不同的砝码（改变M），在小盘中放上相同质量的砝码（保持F大小不变），就可以获得在拉力F大小一定的情况下，加速度a和小车的质量（M）之间的关系。 方案二实验装置简单明了，实验中测量数据也较方便，但是在实验原理中有个转换，就是由位移和力的关系转换成加速度和力的关系，是学生不容易理解的地方。另外，这个实验也是用重力来代替拉力的大小，因而也有系统误差。 4设计方案三 第3种设计方案是一名中学教师设计的，并申请了专利。 如图3所示,研究斜面上滑动的滑块,当滑块在斜面上下滑时,滑块受到的合力为:  如图4所示,设BD边所在位置是滑块