自制牛顿第二定律探究仪

马永毅

(河北省辛集中学,河北辛集 052360)

图1

人教版课标教材必修1第 4章第 2节“实验:探究加速度与力、质量的关系”所给参考案例有3个缺陷.(1)实验的目的是探究加速度与合力、质量的关系,教材中的实验设计恰恰在合力上出现了系统误差,“小盘和砝码所受的重力,等于使小车做匀加速运动的力[1](如图1所示),这两个力只是近似相等,条件是盘和砝码的质量要比小车的质量小很多.通过以后的学习我们将会证明这一点.”盘和砝码的质量要比小车的质量小很多这个条件只能说明盘和砝码所受重力与绳对小车的拉力近似相等,而小车还受到摩擦力,盘和砝码的质量越小,小车所受摩擦力就越不能忽略.(2)用教材中所提供的实验测得的数据误差特别大,无法定量探究加速度与合力、质量的关系.(3)该实验是两个小车的对比实验,研究对象较多使实验变得复杂,而且也没有绝对完全相同的两个小车.

图2

自制仪器装置介绍.如图2所示,研究钩码向下的加速运动过程,利用计时器和两个固定的光电门可测钩码通过两个光电门的时间,由公式x为两个光电门的间距,确保遮光片扫第一个光电门时速度接近零)可测钩码向下运动的加速度;当钩码运动时,绳对钩码的拉力可通过弹簧秤间接测量为绳上的拉力,F弹簧秤读数,G0为滑轮重力);右侧为配重小桶,通过调整小桶中砝码的质量来调整钩码受到的绳的拉力,进而达到调整钩码所受合力的目的.

质量一定,探究加速度与合力的关系(表1),直接测量的物理量为F、t,其余数据利用Excel的函数公式自动算出.从数据看出,加速度与绳上的拉力不成正比,而是随着拉力的减小加速度增大,合力与加速度基本成正比.利用Excel画出函数图像(如图3所示).

图3

表1

合力一定,探究加速度与质量之间的关系实验原理(如 图4所示).

对系统应用牛顿第二定律得

左右两边均去掉很小的质量Δm,(1)式变为

整理得

图4

当 m1≈m2≫Δm 时,由(3)式可得

合力一定,探究加速度与质量之间的关系(如表2),利用Excel画出函数图像(如图5).

图5

表2

本实验设计突出了两点,在质量一定时,加速度是与合力,而非物体受的其他力成正比,合力基本不变时,加速度与质量成反比;实验数据误差较小,能较为准确地反映实验结论;实验操作简便,适合学生分组实验,本实验仪器经多次教学实践检验收到了良好的效果.

1 李克英,毕雄伟,王黎智,杨卫国,张雄.用阿德伍德机验证牛顿第二定律.楚雄师范学院学报,2007,22(9).