浅析牛顿第二定律实验的改进（2）||教学实验研究

浅析牛顿第二定律实验的改进

湖南省保靖民族中学

1牛顿第二定律实验作用与地位

牛顿第二定律是人教版《高中物理新课标教材·必修1》中的第四章第二节实验:探究加速度与力、质量的关系. 该实验是联系力学与运动学的桥梁、纽带,是中学物理的核心内容之一. 而牛顿第二定律实验是加深对该定律理解与掌握的必要手段,在物理教学中有着举足轻重的地位. 该实验是探究加速度与力、质量的关系,对该实验的理解与掌握是学好物理科目的必要条件之一.

书中的实验是:

两个相同的小车放在光滑水平板上,前端各系一条细绳,绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中可放砝码. 实验时小盘和砝码牵引小车,使小车做匀加速运动的力与小盘和砝码的重力相等. 因此,增加小盘中的砝码就可以改变小车受到的合力.

两小车后端各系一条细绳,一起被一个夹子夹着而使小车静止. 打开夹子,两小车同时开始运动,关上夹子,两小车同时停下来. 用刻度尺测出两小车通过的位移,位移之比就等于它们的加速度之比.

为了改变小车的质量,可以在小车中增减砝码.

2笔者认为该实验存在以下不足之处

(1) 该实验只能对加速度与力、质量的关系进行定性的研究,而不能进行定量的研究.

(2) 考虑失重及摩擦的影响,使小车做匀加速运动的力实际上与小盘和砝码的重力并不相等.

(3) 由于小车运动后速度较大且不同,用夹子不能保证两车同时停下来.

(4) 该实验虽用控制变量法,却只能进行定性的研究,让学生对该实验信任度降低.

3结合多年教学,笔者对该实验进行了如下改进

3. 1实验装置器材说明及实验创新与改进之处

(1) 利用气垫导轨减少摩擦,利用木架改变高度、改变滑块的质量可以克服失重带来的负面影响.

(2) 该实验可以进行定量的探究,利用光电门和数字计时器记时、测速度,得出较为理想的实验数据.

(3) 利用计算机软件处理数据可得到理想的正比或反比关系.

3. 2实验原理及实验过程

实验一探究加速度与质量的关系

如图3,m减小几倍,h增大几倍,斜边L不变,保证mh乘积不变,从而合力F合=mgh / L不变.

(1) 保证物体的合外力F合= mgh / L不变、设计可行的实验方案;

(2) 师生协作共同完成实验;(以下教学过程的一组实验数据)

表 1加速度与质量的关系Δx = 3 cm F合= mg·h / L a = ( Δx / T2- Δx / T1) /T12

(3) 师生运用计算机处理数据,从而找规律;

(4) 由实验数据图象得出:

结论:在合外力不变时,物体的加速度跟物体的质量成反比.

即 a ∝ 1 /m.

实验二加速度与力的关系

保持m、L不变,h增大几倍,h/L就增大几倍,则合力F合= mgsinθ = mgh / L增大几倍.

(1) 保证物体质量不变、设计可行的实验方案;

(2) 师生协作共同完成实验;(以下教学过程的一组实验数据)

表 2加速度与力的关系Δx = 3 cm F合= mg·h / L a = ( Δx / T2- Δx / T1) /T12

(3) 师生运用计算机处理数据,从而找规律;

(4) 由实验数据和图象得出:

结论:在物体质量不变时,物体的加速度跟作用在物体上的力成正比. 即a∝F合.

3. 3综上所述得实验结论

物体的加速度跟作用在物体上的力成正比,跟物体的质量成反比. 就是牛顿第二定律. 用国际制单位得a = F合/ m.

4实验效果

(1) 利用光电计时器和气垫导轨得到的数据误差很小;

(2) 利用软件拟合图线可得到物理量间理想的正比或反比关系;

5改进后实验自行评价

1再现用平均速度代替瞬时速度及用加速度定义求解的物理过程;

2利用多媒体软件处理,得到较为理想函数关系,学生对实验的可信度大大增强;

3实验效果理想,误差极小,加深了学生对控制变量法在研究物理规律中的理解应用.

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转载于《中学物理》高中版2015年13期