验证牛顿运动定律教材实验及实验创新

摘 要：验证牛顿运动定律实验是高中物理教材中最为重要的实验之一，涉及高中物理学科核心素养的多个方面，如科学探究、研究方法、数据处理、误差分析等，对学生的思维分析及实验操作能力提出了较高要求。本文从高中物理教材中基础实验延伸到实验创新，对一线物理师教学提供有价值的参考。

关键词：原理;器材;步骤;误差;延伸;拓展

一、 教材实验

（一）实验原理

（1）小车质量M不变，探究小车加速度a与所受合外力F的关系。

（2）小车所受合外力F不变，探究小车加速度a与它质量M的关系。

（3）根据实验数据以a为纵坐标、F为横坐标，作出a-F图像;以a为纵坐标、1M为横坐标作出a-1M图像。

（二）实验器材

小车、砝码、掉盘、细线、一端附有固定滑轮的长木板、木垫、打点计时器、低压交流电源、导线、纸带、天平、刻度尺。

（三）实验步骤

（1）用天平测量掉盘和砝码的质量m和小车的质量M。

（2）在长木板固定滑轮的另一端下方垫上木垫，轻推小车，让小车匀速下滑。

（3）如图1所示，将悬挂掉盘的细线通过固定滑轮系在小车上。

（4）纸带通过打点计时器与小车相连。

（5）让小车靠近打点计时器，先接通电源后释放小车。

（6）断开电源，取下纸带，选取一段比较理想的部分，测出加速度a。

（7）保持小车的质量M不变，改变小盘和砝码的质量m，重复步骤（4）（5）（6）。

（8）得到若干组实验数据以a为纵坐标、mg代替F为横坐标，作出a-F图像。

（9）保持掉盘和砝码的质量m不变即小车所受拉力不变，改变小车质量M，重复步骤（4）（5）（6）。

（10）由若干组数据以a为纵坐标、1M为横坐标作出a-1M图像。

（四）误差分析

（1）实验原理不完善：本实验用掉盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，实际小车所受的拉力小于掉盘和砝码的总重力。

（2）质量称量、纸带计数点间距测量精度不准。

（3）平衡摩擦力不到位;纸带和细绳与木板不平行等因素均会导致实验误差。

二、 验证牛顿第二定律实验延伸与拓展

（一）天平测质量

（1）实验原理

保持小车、砝码、掉盘总质量不变，探究它们加速度与合外力的关系。

（2）实验步骤

①设小车、砝码、掉盘总质量为M，改变小盘中砝码个数，增减放到小车上，从而改变拉力大小，实验装置如图1所示。

②用天平称量掉盘和砝码的质量为m，重力为mg。

③选取纸带上一段比较理想的部分，测出加速度a。

④由若干组实验数据以a为纵坐标、mg代替F为横坐标，作a-mg图像。

（3）延伸与拓展

将系统作为研究对象，掉盘和砝码总重力作为拉力，不需要满足小车所受的拉力远小于掉盘和砝码的总重力，避免了实验原理的局限性。

（二）弹簧测力计测小车所受的拉力

（1）实验原理

小车质量不变，探究小车加速度与合外力的关系。

（2）实验步骤

①实验装置如图2所示。不挂钩码、滑轮、弹簧测力计时在长木板固定滑轮的另一端下方垫上木垫，轻推小车，让小车匀速下滑。

②改变钩码的个数从而改变拉力大小，读出弹簧测力计示数F。

③选取纸带上比较理想的一段，测出小车加速度a。

④由实验数据以a为纵坐标、F为横坐标，作a-F图像。

（3）延伸与拓展

用弹簧测力计测小车所受拉力，不需要钩码的质量远小于小车质量，也不需要测钩码、滑轮的质量。

（三）以光电门为器材测小车加速度

（1）实验原理

小车质量不变，探究小车加速度与合外力的关系。

（2）实验步骤

①实验装置如图3所示，如同上述需要平衡摩擦力，用刻度尺测量遮光条宽度为d，两个光电门间距离为s。

②测力计称量重物为mg。

③将小车从光电门A的左侧由静止释放，与光电门连接的数字计时器测量遮光片经过光电门A、B所用的时间tA、tB，由速度公式v=dt测得物块的初速度和末速度;由运动学公式2as=v2B-v2A求出物块加速度a。

④得到若干组数据，描点作图，作a-mg图像。

（3）延伸与拓展

①用光电门替换打点计时器，避免打点计时器与纸带摩擦和测量纸带长度时产生的实验误差。

②实验要求重物质量远小于物块质量從而减少误差。

（四）光电门、气垫导轨、力电传感器测加速度、拉力

（1）实验原理

小车质量不变，探究小车加速度与合外力的关系。

（2）实验步骤

①实验装置如图4所示，将气垫导轨放在水平桌面上，用刻度尺测量遮光条宽度为d，两个光电门间距离为s。

②将小车从光电门A的右侧静止释放，与光电门连接的数字计时器测量遮光片经过光电门A、B所用的时间分别为tA、tB，求出滑块加速度a。

③由力传感器测量滑块所受细线拉力F。

④由若干组数据，描点作a-F图像。

（3）延伸与拓展

①气垫导轨代替长木板，物块与导轨间无摩擦作用，不计摩擦力。

②力传感器测量滑块所受的细线拉力，不需要测钩码与物块的重力。

三、 小结

物理实验是高中物理教师教学重点之一，也是学生探究物理过程的必备能力，教师在物理实验教学过程中，将所学物理知识与实验能力有机结合，通过实验验证，从而加深对理论的理解与应用。

参考文献：

[1]牛顿运动定律：概述[J].当代教育实践与教学研究，2016（9）：278.

[2]黄佳.创新物理实验让物理学习回归本源：以“牛顿运动定律的综合应用”为例[J].物理教师，2018，39（11）：59-60.

作者简介：

杨学云，重庆市，重庆市云阳县教育科学研究所。