“验证牛顿第二定律”实验考点分析

彭俊勉

【关键词】 物理教学；“牛顿第二定律”；考点分析

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A

【文章编号】 1004—0463（2017）08—0119—01

“验证牛顿第二定律”是高中物理力学实验的核心，本实验通过控制变量法讨论了力与运动的关系，验证了牛顿第二定律F合=ma.由于涉及较多的知识点，需要较强的综合分析能力，学生往往显得无从下手，造成学习障碍.如果将实验考点进行分解，可以帮助学生理清思路、深入浅出、简化难点.

一、原始实验分析

如何准确地设计并测量出小车加速运动时受到的合外力是本实验的核心考点.实验中用天平测出小车和砝码的总质量M，小盘和砝码的总质量m，把测量结果记录下来.

1. 平衡摩擦力.实验中通过设置斜面，使得小车沿斜面匀速下滑（纸带打出的点迹均匀），消除摩擦力的影响.考点分解：

（1）物体沿斜面匀速直线运动的条件mgsinθ=μmgcosθ（即μ=tanθ），因此实验中改变小车的质量，不需要重新平衡摩擦力.

（2）物体匀速直线运动时F合=0，因此小车在牵引力的作用下加速运动时F合=Ft（细绳的牵引力）.

2. 细绳的牵引力不容易实时测量，因此用小盘和砝码的总重力代替细绳的牵引力Ft≈mg（M≥m）.

3. 数据处理考点分解：

（1）通过分析打点计时器打出纸带上的点迹，计算瞬时速度，逐差法计算加速度.

（2）采用图象处理数据.作出a-F图象，分析图象不过坐标原点的原因；明确F逐渐增大时（不再满足M≥m时），图象向横轴偏折.作出a-1/M图象，验证F合一定时，a与M成反比.

二、变式实验分析

变式实验中通常设计两个关键步骤，首先通过匀速直线运动（F合=0）得到摩擦力的处理方法.其次通过加速直线运动分析F合，确定是否需要满足M≥m，并且改变实验数据的测量方法.

1. 原始实验通过斜面平衡摩擦，变式实验摩擦力的处理方法：

（1）通过水平方向小车做匀速直线运动测量摩擦力Ff，验证F合=Ft-Ff=Ma.

（2）通过竖直方向物体向上加速运动受到阻力为mg，验证F合=Ft-mg=Ma.

2.原始实验Ft≈mg，存在系统误差.变式实验采用小车上固定力的传感器、细绳上连接弹簧测力计，实时测量Ft.由于没有用mg代替Ft，所以不需要满足M≥m.

3.原始实验中通过打點计时器打出的纸带分析数据，变式实验通过安装光电门测量瞬时速度，计算得到加速度.

三、实例分析

例 水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和挡光板，细线一端与力传感器连接，另一端跨过定滑轮挂上砝码盘.实验首先保持轨道水平，通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力.并在实验中获得以下测量数据：小车、力传感器和挡光板的总质量M，平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0，挡光板的宽度d，光电门1和2的中心距离s，某次实验过程：力的传感器读数为Ft，小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2（小车通过光电门2后，砝码盘才落地）.

实验分析：

1.通过小车匀速直线运动，Ff=m0g，测量出摩擦力，以实现平衡摩擦.当改变小车质量时，需要重新测量摩擦力.

2.小车安装力传感器，实时测量Ft，实验中不需要满足M≥m.

原始实验设计的亮点在于，首先是摩擦力的处理中借用斜面的特点，十分巧妙地避免了重复操作.其次设计的系统误差正是该实验的考究之处，它不仅让学生深刻体会系统误差是由于实验本身设计的缺陷引起的，并且围绕此命题展开的分析方法及实验改进方案，升华了学生的思维水平.通过反复训练发现，首先要确定研究对象，围绕研究对象分析实验中摩擦力的处理方法，其次明确研究对象加速运动时受到的合外力，得到力与运动的关系.通过将问题分解的方法，逐步达到解决问题的目的.

编辑：谢颖丽