新课程下对于牛顿第二定律实验的优化和改进

郭海军

在新人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修1中，这个实验的位置是高中物理教材必修一第四章第二节《实验：探究加速度与力、质量的关系》。很明显，新课改将这部分内容单列出来，体现了新课改下对探究性实验的重视。

在本节实验教学之前，课本先讲述了如何利用图像判断两个物理量之间是正比例关系还是反比例关系。而这个技巧正是同学们以后在工作学习中非常实用的处理数据的技巧和方法。

接下来课本给同学们提出两个问题：

1.怎么样测量或比较物体的加速度？

2.怎样测量并提供物体所受的恒力？

用这两个问题引导学生进行思考、设计。这会引导学生在以后的实验及学习当中进行类似的思考和设计。

虽然在课本中除了列出来的两个参考案例外并没有明文告诉我们更多的方法和实验方案，但是有如下文字“如何......有很多可行的方法，下面案例中的方法可供选用，也可设计其他方法。”这就是说，同学们可以天马行空地发挥自己的创造力和想象力，只要是能探究出来物体的加速度、受力和质量三者之间的关系，并且合理可行，那同学们的实验方案就可以用来做这个探究实验。换言之，这个实验是开放性的，鼓励利用先进的实验仪器、鼓励有创新的实验设计。现就对几种典型的创新实验总结如下：

一、利用气垫导轨进行牛顿第二定律实验

1、气垫导轨的原理：气垫导轨是一种比较新型的实验装置，如图所示，它替代了传统的木板（或导轨），通过鼓风机的作用，在轨道和滑片（起到传统的滑块的作用）之间形成了一层极薄的空气层，就像气垫船行驶在水面上一样，滑片就会飘在空气层的表面，这样便极大的减小了轨道对滑片的摩擦力，从而使得在实验过程中影响实验精度的摩擦力的干扰大大削弱，使得实验精确度得到极大程度的提高。今年来随着国家对实验的重视程度提升，和各个学校的实验条件的优化，有相当一部分的学校已经能用气垫导轨代替传统的木板做实验了。

2、利用气垫导轨测量滑片的加速度：

在导轨上设置两个间距为S的光电门，将滑片上面的挡光片的宽度我们标记为ΔL，让滑片依次通过两个光电门，将先后通过两个光电门的时间记为Δt1、Δt2，则我们可以按照以下的方法求出滑片的加速度：

先求出滑片通过两个光电门的瞬时速度分别为v1=、v

2=，然后利用  可以求出来滑片在运动过程中的

加速度大小。

3、利用控制变量法完成剩余的实验步骤，验证加速度与力、质量的关系。

二、利用DIS系统完成牛顿第二定律实验

1、DIS是Digital Information System的缩写，指的是数字化信息技术。DIS的基本机构有传感器、数据采集器、计算机，在现代技术中，几乎所有的物理量都可以利用传感器测量得到，如力、压强、温度、电流、光强、位移、速度等等，数据采集器采集得到的数据输入计算机，便可以由事先编辑好的程序对数据进行加工整理，得到我们想要的实验结果。

利用DIS做实验有很多的好处：节省时间，测量便捷，数据处理精度高、速度快。而且，对于这样的仪器学生具有非常浓厚的兴趣。只是DIS系统对于一般的学校而言是很奢侈的，因为这套系统价格昂贵，而且极易由于操作不当而损坏，所以开设的面并不是很广，但是相信在不久的将来，这样的實验系统会进入我们每个物理课堂。

2、本实验中用到的传感器有位移传感器和力传感器。

将这两个实验仪器应用于验证牛顿第二定律的装置如下图所示：

用力传感器做这个实验就避免了在本实验中由于细线拉力与砝码质量不相等而带来的误差，也无需在实验中考虑砝码质量远小于小车质量这一条件，使我们在实验当中更容易控制实验条件，而且得到更加精确的实验结果。而利用位移传感器做牛顿第二定律的实验能让我们对加速度的测量更加精确，而且不需要我们利用打点计时器打纸带，也避免了纸带上的计算而带来的误差，减少了大量的工作量。如果将两个实验的装置结合起来的话，将会使我们的实验难度大大降低，实验精度大大提高。

而且近几年在高考实验题的考察中，对于传感器的应用的考察大大的增多，所以我们在教学的过程中对于这方面的知识要有针对性的予以补充。

三、对新教材中牛顿第二定律实验的改进方案

在新教材课本上给出的实验方案有一些不尽如人意的地方，现在我就对这些地方做一些适当的改进。

在这个实验中不方便控制的一个实验条件：小车和里面砝码的总质量要远大于悬挂的砝码和砝码盘的总质量。在我们做实验的过程中，总会发现，刚开始的时候可能能保证勉强满足，可是当我们增加砝码盘中的砝码质量后，多改动几次，然后这个实验条件就不再满足了，所以在我们描点作图之后就会得到如图所示的图像：

对于这种现象，我将实验的方法做了一些改进，实验的装置图如下：

（1）如图安装实验仪器，用到的仪器有：一端带有定滑轮的长木板或轨道、小车一个、打点计时器以及纸带、沙桶及细砂若干，将小车和沙桶用细线连接，细线跨过定滑轮。

（2）将带挂轮的长木板的一端垫高，使之与水平方向构成一定的夹角，在沙桶中放入一定量的沙，随后将小车由静止释放，仔细观察小车的运动情况，看小车是否能够沿斜面匀速下滑。如果不能，则改变沙桶中沙的质量，直到沙桶的重量能够保证小车沿斜面匀速下滑。这样做的目的，是为了保证小车重力沿斜面向下的分力能够等于小车受到的摩擦力和沙桶及沙的重力之和，即

然后断开小车和沙桶的细线，则此时，小车受到的合外力就等于沙桶及沙的重力mg，然后打点计时器测量出来小车运动的加速度。用天平测量出来沙桶及沙的总质量，再用加速度为纵坐标，mg为横坐标画出平面直角坐标系，则图线在误差范围内必然是一条直线。

通过这个方法就可以消除砝码盘和内部砝码的总质量远小于小车和小车内部砝码的总质量这个难控制的实验条件对本实验的影响，尽量减小实验误差。