探讨验证牛第二定律实验的改进方法.doc

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1、探讨验证牛顿第二定律实验的改进方法广州广东仲元中学蔡钳验证牛顿第二定律的实验在高中物理的实验教学中，应该是处于核心地位的一个实验。用控制变量的实验方法，是物理研究问题的重要方法之一。打点计时器及纸带的处理方法也是物理的重要实验方法。高中物理课程中，对该实验的设计主要用如下图1所示的装置进行：图1所示的装置中，利用沙和桶的重力充当小车的拉力，这是实验存在系统误差的一个原因。不难发现，由于沙和桶存在加速度，绳子的拉力一定小于沙和桶的重力。如何针对这一系统误差对该实验进行改进，是本文要探讨的问题。该装置第二个问题就是平衡摩擦力的做法，在

2、实际操作中，要做到平衡摩擦力是比较困难的，需要花大量的时间。因此，如何处理摩擦力这个因素也是实验改进的重要问题。下面，笔者将对历年出现在高考试题和各地模拟试题中的改进实验进行归类，并试图探讨出该实验改进的更好的方法。一、针对“平衡摩擦力”这一因素进行改进的实验【改进装置1】某实验小组利用如图2所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系．图2(1)由图中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x＝24cm，由图7中游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________cm.该实验小组在做实验时，将滑块从如图6所示位置由静

3、止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1，遮光条通过光电门2的时间Δt2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1＝________，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2＝________，则滑块的加速度的表达式a＝________.(以上表达式均用字母表示)该装置利用气垫导轨尽量减小摩擦力，使得摩擦力这一因素很好被最大化消除。用光电门和数字计时器代替打点计时器，这一方法操作起来比较简便，但由于实验装置比较昂贵，并不是所有地区都能用得起。另外，用光电门这些科技含量较高、操作较简单的工具代替打点计时器，容易让

4、学生“错过”传统实验方法的训练，对学生学习经典力学的思维方法没有太大帮助。所以笔者认为该实验可以作为一个改进实验，让学生理解如何消除摩擦力，不能当作实验的主要方法。二、针对实验中“拉力”不等于“沙与桶”的重力的改进实验在历年的高考题或者模拟试题中都可以看到不少针对该问题的实验改进装置，这些改进共同的特点都是直接把绳子的拉力或者小车受到的合外力用其他简易的方法呈现出来。其中最直接的是下面这个例子：图2【改进装置2】某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”，如图2，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个

5、定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小。在水平桌面上相距50.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器记录小车通过A、B时的速度大小。小车中可以放置砝码。（1）实验主要步骤如下：①测量________和拉力传感器的总质量M1;把细线的一端固定在拉力传感器上另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；②将小车停在C点，__________，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度。③在小车中增加砝码，或_______________，重复②的操作。这是2009年广东高考物理试题中的实验题，该题直接在小

6、车前面固定一个力的传感器，把绳子的拉力直接通过传感器呈现出来。虽然该题考查的是动能定理，但用这个装置我们也可以直接用来验证牛顿第二定律。在平衡摩擦力之后，拉力传感器所呈现的就是绳子的拉力，也是小车受到的合外力，系统误差几乎“不见”了。而下面这个装置，用了比较巧妙的方法解决了这个问题：【改进装置3】某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图3所示．已知小车质量M＝214.6g，砝码盘质量m0＝7.8g，所使用的打点计时器交流电频率f＝50Hz.其实验步骤是：A．按图中所示安装好实验装置；B

7、．调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；C．取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；D．先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；E．重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复B－D步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度．该装置巧妙的地方就是：当我们轻推小车，小车可以匀速下滑，说明车处于受力平衡的状态。那么如果我们把砝码和砝码盘取下时，小车会沿斜面加速下滑，小车下滑时受到的合力就等于砝码和砝码盘的重力，成功的让该装置的系统误差“藏”起来了。但该装置也不太好操作，很难保证

8、轻推小车，小车能够完全匀速运动。总之，针对“绳子拉力小于砂和桶的重力”这个系统误差进行改进的实验层出不穷，在高考试题中出现过，在某些地方的模拟试题中也有出现，说明物理教师们对这个传统的实验存在的“问题”绞尽脑汁。下面这个装置也是“巧妙的”：该装置直