《对验证牛顿第二定律实验方案的改进》中学物理创新实验设计

《对验证牛顿第二定律实验方案的改进》中学物理创新实验设计作品全称对验证牛顿第二定律实验方案的改进学校名称联系电话姓名性别年龄初、高中组高中（一）设计原理(含原理图和实物图、主要解决的什么问题）“探究加速度与力、质量的关系”实验是高中物理中最重要的学生实验之一，更是历年高考的热点实验。根据传统的实验设计方案和实验思路，存在很大的实验系统误差，在学生实验操作过程中甚至产生错误的实验结论。为了消除错误，减小误差，在原传统实验方案下，本人就实验思路做一改进，可以有效减小实验误差，提高验证性实验的可信度。一、传统实验方案的误差分析及操作方面存在的难度和问题。图1所示的器材是现行教材和各类教辅资料中“探究加速度与力、质量的关系”实验的传统装置，其实验原理是：以小车为研究对象，利用控制变量法探究小车的加速度a与其所受的合力F以及质量M之间的关系。为消除摩擦力对实验的影响，可在不挂砝码和盘时，在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板，反复移动木板的位置，直至小车能在斜面上匀速运动（可从打出的纸带上点迹是否均匀来判断）。这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车重力在沿斜面方向上的分力平衡，即。平衡摩擦后，绳的拉力就是小车所受的合力，为使实验简单而将盘和砝码的重力mg近似当作小车的拉力，这是引起系统误差的主要原因。现将误差分析如下：设小车质量为M、砝码和盘的质量为m，细线的张力为T，运动过程中它们的加速度大小为a，对小车：，对砝码和盘：。由此可得，，即绳上拉力T实际上小于mg，要使误差减小，必需满足，才可把mg近似当成小车受到的拉力。这样的处理，会使得加速度的理论值大于实际值，且当m越大时，两者差异也越大。在实际操作中，一部分学生就认为砝码和盘的重力大小就等于小车所受合力的大小，根本不会注意这一条件，甚至会出现错误的操作。一部分学生虽然知道这一条件，但m与M在什么条件下才是满足条件不好把握，因此该实验在实验室让学生具体操作，实验结果的可信度是非常低的。（二）实验方法（或实验过程）二、改进实验操作方案，转换研究对象。以小车和砝码及盘为一个系统，以这个系统为研究对象，在平衡摩擦力这一操作精确到位的前提下，系统所受的合外力等于盘及盘中砝码的重力，这样就可以很好的消除试验中的系统误差。利用控制变量法就可以很好的验证质量M‘‘、合外力F、加速度a之间的关系，具体操作做如下的分析：（1）保证系统质量M‘‘(M‘‘=M+m)一定，探究加速度a与合外力F之间的关系：让系统的总质量不变，将砝码在小车与盘之间进行转移，就可以有效改变系统所受的合外力，从而能有效准确的验证系统质量M‘‘一定的情况下，加速度a与合外力F之间的关系。实验数据记录如下表：研究对象（小车、盘及砝码）的质量M‘‘一定合外力F加速度a（2）保证系统所受合外力F一定，探究系统加速度a与质量M‘‘之间的关系：让盘及盘中的砝码质量保持一定，即保持系统所受合外力F一定，改变小车中砝码的个数就可以改变系统的质量M‘‘，从而可以有效验证系统所受合外力F一定时，加速度a与质量M‘‘之间的关系。实验数据记录如下表。研究对象（小车、盘及砝码）所受合外力（F=mg）一定研究对象质量M‘‘加速度a（三）实验效果将研究对象从单个物体-------小车变为砝码、盘及小车构成的系统，这一研究对象的转变，不仅从理论上大大减小了系统误差，还为实验的具体操作带来很大的方便，不再有这一条件的限制，本人认为这一方案值得推广。自治区评委评审意见（盖章）年月日注：表格空白不够可自行添加。网评已过期！