牛顿第二定律快速演示仪的研制

阳瑞霖 李志强 颜艳梅 黄晨 姜倩

摘 要：为便于学生更好地理解牛顿第二定律中加速度、力和运动物体质量三者之间的关系，文章研制了新型牛顿第二定律快速演示仪。该演示仪依据初速度为零的匀加速直线运动中相同时间内加速度与位移之间成正比的关系，将加速度的大小通过位移来表示，再采用相互平行的三层轨道，通过控制变量法实现牛顿第二定律快速教学演示，减少了演示时间，让学生更直观地观察实验现象，便于学生理解实验原理，不断激发学习兴趣，从而提高教学效果，能够较好地帮助学生定性认识该物理学定律。

关键词：牛顿第二定律；直观观察；教学演示

在高中物理教材中，牛顿第二运动定律[1]实验演示装置是由具有一定质量的小车、与小车配置使用的牵拉绳、定滑轮、砝码以及打点计时器等构成。虽然上述演示装置理论上可以帮助学生对牛顿第二运动定律有一个定量的认识，然而目前在教学应用过程中的普遍状况是：学校购入了演示仪器，老师却不愿意在实际教学中使用。基主要原因是实验过程中需要注意的点较多，一旦出现失误操作，整个实验就需要重新开始，这对于一节物理课40～45 min来说，时间往往是不够的。基于上述思路，设计一种帮助学生定性认识牛顿第二运动定律的实验演示装置就显得很有必要[2-3]。

1 快速演示原理

牛顿第二运动定律快速演示仪，采用三层轨道结构，由上往下依次設置且相互平行的上层轨道、中层轨道及下层轨道。其总体结构如图1所示。

图1中，1为上层轨道，2为中层轨道，3为下层轨道，4为运动小车，5为钩码，6为牵引绳，7为拉绳，8为定滑轮，9为拉绳控制机构，10为牵引绳控制机构，11为定位板。

牛顿第二定律的内容是物体的加速度a跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量m成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。即：

F=ma （1）

采用控制变量法，首先保证运动小车的质量不变，来探究加速度与运动小车所受合外力之间的关系，接下来保持运动小车所受的合外力不变，来探究加速度与运动小车的质量之间的关系，最后综合得到上述三者之间的关系。

实验装置中的小车在合外力的作用下改变小车的运动状态，该运动是一种初速度为零的匀加速直线运动，在运动学中初速度为零的匀加速直线运动中位移：

S=at2/2 （2）

（2）式表示运动小车相同时间内加速度与位移之间成正比的关系，将加速度的大小通过位移来表示。将（1）式代入（2）式得到：

S=F/（2Mt2） （3）

中间层小车所受合外力为F0，运动小车的质量为m0，运动的位移S0，依据（3）式，上层小车保持小车的质量不变，其质量为m1= m0，所受合外力为F1，则运动的位移S1为：

S1=（F1/F0）·S0 （4）

下层小车保持所受合外力不变，其合外为F2= F0，小车的质量为m2，则运动的位移S2为：

S2= （m2/m0）·S0 （5）

2 测试与分析

连接好演示仪装置，通过调节装置来平衡小车运动的摩擦力，直至小车在轨道上保持匀速直线运动。其中中间参考层运动小车的质量为200 g，由1个10 g的钩码产生合外力；上层运动小车的质量仍为200 g，由2个10 g的钩码产生合外力；下层在运动小车的上面增加2个50 g的钩码，运动小车的总质量为300 g，由1个10 g的钩码产生合外力。在上述相同的实验条件下，进行3次实验操作，其测试结果如表1所示。

牛顿第二定律快速演示仪装置3次测量结果的误差均在5%以内。实验结果显示，上层运动小车的误差较下层运动小车的误差大，这是由于上层运动小车所受的合外力的钩码质量接近于运动小车的质量，其误差就越大；下层运动小车所受的合外力的钩码质量小于运动小车的质量，所以其误差越小[4]。测量结果表明，该牛顿第二定律快速演示仪的结果能够满足中学物理教学实验的需要。

3 结语

实验结果表明，研制的新型牛顿第二定律快速演示仪减少了演示时间，让学生更直观地观察实验现象，便于学生理解实验原理，能够较好地帮助学生定性认识该物理学定律。

[参考文献]

[1]李维兵.五版本教材牛顿第二定律实验的对比分析[J].教学与管理，2016（16）：54-57.

[2]TEMIZ B K，YAVUZ A.Students misconceptions about Newtons second law in outer space[J].European Journal of Physics，2014（4）：143.

[3]SAGLAMARSLAN A，DEVECIOGLU Y.Student teachers levels of understanding and model of understanding about Newtons laws of motion[J].Asia-Pacific Forum on Science Learning and Teaching，2010（1）：20.

[4]郭宇虹.牛顿第二定律实验中的误差及减小的措施[J].龙岩学院学报，2007（3）：28-30.