改进验证牛顿第二定律的实验装置

李昌盛

在普通高中课程标准实验教科书人教版必修1，第四章牛顿运动定律第二节课中，实验：探究加速度与力、质量的关系是高中阶段最重要的一个实验，也可以说是高中阶段较有难度的实验，也是利用控制变量法最典型的范例。该实验的原理是：探究加速度a与力F及质量m的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量——小车的质量m不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，即力F不变，改变小车质量m，讨论加速度a与m的关系。

实验器材：打点计时器，纸带，复写纸，小车，一端附有定滑轮的长木板，小盘，夹子，细绳，低压交流电源，导线，天平，刻度尺，砝码。

如图甲，这个实验需要测量的物理量有三个：物体的加速度，物体所受的力，物体的质量。质量可以用天平测量，本实验要解决的主要问题是怎样测量加速度和怎样提供并测量物体所受的力。

由于小车做初速度为0的匀速直线运动，测量物体加速度最直接的办法就是用刻度尺测量位移并用秒表测量时间，再由a=2x/t 算出。

书中本节参考案例：是两个相同的小车放在光滑水平板上，两个小车后端各系一条细线，用一个黑板擦或夹子把两条细线同时按下黑板擦或夹子两个小车同时停下来。用刻度尺测出两个小车通过的位移，位移之比就等于它们的加速度之比。

a /a =x /x

为了改变小车的质量，可以在小车中增减砝码。

笔者认为既然是物理实验就应尽可能准确地反映物理事实或规律。当黑板擦或夹子同时压住两根细绳，要保证t相同，小车起步要相同，也要保证同时停住，黑板擦或夹子要同时压住两小车后面的细绳，但细绳被小车拉上向前运动，起步不能保证同时，也不能保证同时停止，也就是细绳也要或多或少地也向前移动一点位移，小车运动时间不准确，即由关系式x=at /2知，所以导致位移不够准确。a /a 不等于x /x ，为了让实验更严谨，笔者认为书中的参考案例实验需要改进，对高一物理老师应有更科学的指导，最好能按以下实验图加以改装，可以较巧妙地解决两小车所运动的时间相同的问题。

此实验装置笔者也是受到了宁夏高考模拟试题的启发，想着能将该实验按此题的实验图作为书中的案例实验装置较合适。宁夏高考模拟题是;某实验小组设计了如图所示实验装置探究加速度与力，质量的关系，开始闭合电建，电磁铁将A，B两个小车吸住断开电建，两小车同时在细绳拉力作用下在水平桌面上，沿同一直线相向运动。实验中始终保持小车质量远远大于托盘和砝码的质量，实验装置中各部摩擦阻力均可忽略不计。

1.该小组同学认为，只要测出小车A，和B由静止释放到第一次碰撞前通过的位移S ，S ，即可将知小车A，和B的加速度a ，a 与位移S ，S 的关系。这个关系式可写成？摇？摇？摇 ？摇。（a /a =x /x ）

2.实验时，该小组同学先保持两小车质量相同且不变，改变左右托盘内的砝码的重力，测量并记录对应拉力下小车A和B通过的位移S ，S ，经过多组数据分析得出了小车运动的加速度与所受拉力的关系。然后保持两小车所受的拉力相同且不变。研究小车的加速度与小车质量的关系，此时要改变的实验变量是？摇？摇 ？摇？摇。（质量，即加减砝码）

必须测量并记录的物理量？摇？摇？摇？摇 （要求对物理量的字母做出说明）（m ，S ，m ，S ）。S 为小车1的位移，m 为小车1的质量，S 为小车2的位移，m 是小车2的质量）这些测量并记录的物理量之间的关系式可写成？摇？摇 ？摇？摇。（m /m =x /x ）

笔者认为上述的电磁铁是由同一电建控制解决了两小车的同时起步和同时停止的问题，也就是小车运动时间t相同，比课本中用黑板或夹子压住两细绳效果要好得多。

此实验装置的好处为：小车的起步由电磁铁控制，当开关闭合时，标记下初位置，小车被吸在电磁铁上不动，保证初速度为0，当开关断开时，拉小车的砝码盘和砝码的重力不同，对两小车的拉力不同，在此不同拉力作用下，两小车加速运动。然后两小车相碰停止，标记下末位置，这样确实保证了两小车的同时性，但它们的加速度不同走过的位移就不同，然后测出位移，求出加速度与位移的比值即可。加速度大的位移自然就大。即力与加速度成正比。再当两砝码及砝码盘的重力不变情况下，这样保证力不变，给小车上加减砝码，即小车的质量变了，再断开开关，让两小车做初速度为0的匀加速运动，同样记下末位置，质量变，在测出位移x，由x=at /2，得（m /m =x /x ），即m /m =a /a ，加速度与质量成反比。这样很容易地验证了这个实验。

总之，这样的装置给老师提供了更方便和更准确地验证牛顿第二定律的指导方法，也减小了误差，从而很成功且圆满地完成了实验。