验证牛顿第二定律演示实验的改进

牛顿第二定律是力学的核心内容。现行人教版高中物理教材删去了“验证牛顿第二定律”这一学生实验,因此,教师在教学中做好演示实验成了关键,笔者在多年的教学中采用了多种方法进行实验演示,现介绍一个装置简单、操作容易、省时、成功率高的实验方法。供同行参考指正。
　　
　　一、实验装置改进的原因
　　
　　笔者认为现行的教材中的“双车位移比较法”的实验方法,虽然能完成实验演示,但也存在以下两点不足:①用夹子控制小车刹车线,容易出现松滑现象,致使两车启动、刹车不同步,运动时间不相等,产生误差;②刹车线没有进行导向定位,容易脱离夹子而失去控制。
　　
　　二、实验改进
　　
　　为了解决上述实验问题,笔者改进了“双车位移比较法”,现将实验装置及其操作介绍如下:
　　

　　如图所示,先把一个带有定滑轮的有刻度的长木板放在桌面上,有定滑轮的一端放在桌面外,有刻度的一面面向学生。在木板的另一端下面支一块小木块,调节木块的位置,使小车刚好在木板上能做匀速运动。这样,小车重力沿斜面方向的分力就和斜面对小车的滑动摩擦力平衡,小车所受的合外力为零。用同样的方法把另一质量相同的小车放在另一个相同斜面上,另一个斜面前后都支一块木块,保证两个木板上下错开(便于观察)。
　　
　　1.探究小车的加速度与所受的拉力的关系。两辆小车的前端各系上细绳,绳的另一端跨过定滑轮各系一砝码,两只砝码质量比为2∶1,即两辆小车所受的拉力比为2∶1。将两辆小车从斜面同时释放,尝试不同的释放位置,让两辆小车能够同时到达斜面底端,从长木板的刻度上读出两小辆车发生的位移,多次实验,从数据可以看出,两辆小车每次位移之比约为2∶1,因为两辆车同时下滑,并且同时到达底端,说明两小车运动时间相等,根据公式可知,在时间相同的情况下,位移S和加速度a成正比,比较小车的位移S就可以比较它们的加速度a,分析数据得出,两辆小车所受拉力之比为2∶1,两辆小车的加速度之比也为2∶1。改变两只砝码的质量比为3∶1,重做实验,可得出两辆小车的位移之比为3∶1。即两辆小车所受拉力之比为3∶1,它们的加速度之比也为3∶1。这表明,在小车质量不变的情况下,小车的加速度与所受的拉力成正比。
　　
　　2.研究小车的加速度与小车质量的关系。还用前面的装置,这次两辆小车系质量相同的砝码,在其中一辆小车上放一只砝码,使两辆小车质量比为2∶1,让两辆小车从斜面同时自由上下滑,多次实验,让两辆小车同时达到斜面底端,记下两辆小车发生的位移,可以得出,两辆小车位移之比约为1∶2,根据公式可知,在时间相同的情况下,位移S和加速度a成正比,比较小车的位移S就可以比较它们的加速度a,分析数据得出,两辆小车所受拉力相同时,它们的质量比为2∶1时,两辆小车的加速度之比为1∶2。改变两辆小车质量比为3∶1,重做实验,由实验数据可得出,它们的位移之比为1∶3,这表明,在拉力不变的情况下,小车的加速度与小车的质量成反比。
　　
　　三、实验方法比较
　　
　　本实验与现行人教版高中物理教材中的实验对比有如下优点:①易于操作,本实验避免了用夹子来控制小车的运动。②主题突出,实验现象明显,演示效果好,容易引起学生的兴趣,可做到师生互动(让一些学生上讲台自己动手做,找位移的关系)。③教师操作轻松、方便、省时省力。
　　
　　四、需要注意的问题
　　
　　1.本实验中平衡磨擦力比较费时间,建议教师在实验室来上课,这样可以在课前调整好实验装置。
　　
　　2.本实验在改变小车质量时,没有再次平衡摩擦力,主要是为了节省时间,但这样误差较大。
　　
　　3.可在小车的前端和橡胶垫各钉一个图钉,这样小车与橡胶垫相碰时能发出声音,便于观察两辆小车是否同时到达。
　　
　　4.同时放小车是本实验成功的关键,教师应在实验前加以练习。