巧用“相向对撞实验法”验证牛顿第二定律

刘召新

(余姚市第四中学 浙江 宁波 315400)

1 制作背景

“4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系”是人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·必修1》中的重点教学内容，是“牛顿第二定律”教学内容的重要组成部分.课本上提供的实验方案：如图1单车轨道实验，这个方案虽能够多方位锻炼学生的实验能力，但实验过程繁琐，实验用时较长，只适合学生分组实验而不适合课堂演示实验.图2双车对比实验，虽然简化了实验过程，但是实验装置难以达到要求，特别是两辆车运动的时间同步.尽管设计者在硬件装置做了各种改进，但是没有本质上解决小车发生的位移时间相等.笔者本人经过多年反复的探索和研究，转变了思路，终于自制了操作简便、原理更科学的实验仪器．

图1 单车轨道实验

图2 双车对比实验

2 实验仪器的制作原理

3 实验仪器的主要结构和功能介绍

如图3所示，将1号、2号两辆小车中间水平开孔，悬挂吊桶的细绳从中穿过，使得1号车的拉力指向2号车，2号车的拉力指向1号车，最终能在拉力作用下相向运动并正面撞击.铝合金轨道经过改造使其两端带有定滑轮，并且加装电磁铁保证了小车释放的同时性.

利用吊桶的拉力对小车进行平衡摩擦力，规避了相向运动小车摩擦力平衡的难题，并且利用铜丝的长短改变吊桶的重量，以达到连续调节的效果，最终保证1号车和2号车在只有吊桶拉力作用下能够匀速直线运动.

在1号小车撞击端安装喷点装置，当两车相向撞击时，挤压墨水从针管针尖瞬间喷出，高速飞出的墨水喷射到轨道上的刻度尺上面，能够准确记录两辆小车相同时间t内发生的位移x.

采用加工改造过的三角支架，不但保障了实验时轨道的高度，而且便于进行水平调节，还很轻巧，便于携带，便于不同场合进行实验.

图3 自制新型牛顿第二定律实验仪

4 实验过程

(1) 将本实验装置放在水平地面上，调节三角支架观察水平仪进行调节水平.

(2)改变吊桶的重量，分别对1号、2号车进行平衡摩擦力.

(3)启动电磁铁，将两个小车静置于轨道的两端.

(4)控制车质量M一定，改变吊桶质量以改变拉力F，记录吊桶增加的质量m1，m2和两车的位移x1，x2,如表1所示(探究加速度a与力F的关系)，改变吊桶质量m(F),重复实验5次.

表1 探究加速度a与力F的关系

实验结论1：小车质量M一定，a与F成正比，即a∝F.

(5)控制吊桶质量m一定以控制拉力F不变，改变车质量M.记录两车的总质量M1,M2和两车的位移x1,x2,如表2所示(探究加速度a与质量M的关系)，改变车质量M,重复实验5次.

表2 探究加速度a与质量M的关系

(6)归纳总结结论：a与F成正比，与M成反比.

5 该装置的特点

(1)设计思路巧妙，采用“相向对撞留迹法”提高了两车位移x1和x2记录的准确性.

(2)利用电磁铁控制小车的释放，保证了两车运动的同时性.

(3)通过改变吊桶的重量平衡小车的摩擦力，保证了小车的实验前合力为零.

(4)采用三角支架作为实验台，保证了操作的高度要求，整个装置轻巧便携.