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《验证牛顿第二定律》实验装置的探究

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李清

摘要：教育部在2014年提出“中国学生发展核心素养”理念，根据这一理念需要培养学生的评估数据的能力、创新思维、设计实验探究方案的能力、获取数据的能力、分析论证的能力、合作与交流讨论的能力，另外还有学生能准确表述、评估和反思总结实验探究过程和结果的能力。

关键词：实验原理;实验装置;验证;探究

《验证牛顿第二定律》是高中物理《高考考试大纲》规定七个之一的力学实验。实验涉及研究对象受到的合外力F合、质量M和加速度a的测量数据，通过分析它们的数据找出三者的相互关系，是《高考考试大纲》考查实验中难点之一，受到高考命题人的青睐。本文从实验原理入手设计实验装置进行实验探究，以小组（每组6人最佳）为单位的形式，每个组员至少分别设计一个测合外力F合和加速度a的方案，小组内再进行可行性讨论与交流，形成可操作性的方案，每个小组上交评估后的可行性方案给教师，教师评估可行后再在实验室实验验证。

一、设计测量合外力F合的实验装置

1.设计思路

（1）确定研究对象：小车（或滑块）

（2）研究对象的受力分析

（3）根据F合=F-f可知，要测出F合就必须测出细绳拉力F和摩擦力

由于设计测量摩擦力f会增加学生設计难度和实验复杂程度，最好采用平衡摩擦力的方法或利用气垫导轨。建议设计平衡摩擦力f实验方案等完成实验后作为拓展实验留个学生思考。

（4）平衡摩擦力f：教师引导学生思考平衡摩擦力f的原理

2.测小车（滑块）受到的合力F实验装置案例分析

（1）用物体重力作为小车（滑块）受到的合力F实验装置

图3装置来源教材，易设计符合学生的最近发展区，但会带来系统误差。对高中生来说，减小系统误差是难点，部分学生难以突破这个难点，教材为减轻学生思维难点直接用砝码及砝码盘的重力作为小车（滑块）受到的合力F，但带来小车（滑块）质量远远大于砝码及砝码盘质量的限制条件。

（2）用弹簧测力计测小车（滑块）受到的合力F

图4装置实验器材简单，可操作性差，精确度低。建议学生在实验室进行验证时操作图4装置。图5装置避免图4装置的不足，保证实验的可操作性和精确度的同时充分利用实验室器材，具有一定的创新性。学生利用动滑轮的特点，测出小车（滑块）受到的合力F。

（3）用拉力传感器测小车（滑块）受到的合力F（如图6）

图6装置只是在图3装置基础上增加力的传感器，该装置精确度高，可操作性好，同时避免了实验的系统误差。不足之处在于一般学校没有力的传感器，不便于实验操作验证。

二、设计测量加速度a的实验装置

该实验原理在教材前一章已经学习，具有一定的基础和经验，学生比较容易想到而设计出图7装置。但在实际操作过程中涉及比较复杂的计算过程，精确度不高，容易造成数据失真，干扰结论的形成。

2.原理：vt2-v02=2as（如图8）

利用光电门测出通过A、B点的时间，由数字计时器能直接得出A、B点的速度，用刻度尺测量光电门A、光电门B之间的距离x，再根据原理vt2-v02=2as很容易得出小车（滑块）的加速度。

三、测量车（滑块）质量M：直接用学生天平测量不需设计实验装置

四、测量细绳拉力F装置和测量加速度a装置重组

教师对学生的测量装置方案进行可行性评估，各学习小组根据教师返回的可行方案进行重组，设计实验操作过程、数据分析、分析误差来源、制订减少误差措施等。

五、运用重组后的实验方案进行实验操作

各学习小组根据重组后的实验方案，对实验器材、实验过程、数据分析、误差分析和减小误差的措施进行实验操作，修正实验方案。学生以小组形式从实验原理F=Ma入手，设计测量细绳拉力F装置和测量加速度a装置的方案。提升了学生使用科学证据的意识及评估科学数据的能力，提升了学生创新思维;提升了学生设计实验探究方案及获取数据的能力;提升了学生的分析论证能力，让学生会使用各种方法分析、处理数据，会描述和解释探究实验过程及结果。提升了学生的合作与交流讨论的意愿和能力，具有准确表述，评估和反思总结实验探究过程和结果，践行高中物理核心素养的要求。

参考文献：

李维兵.五版本教材牛顿第二定律实验的对比分析[J].教学与管理，2016（16）：54-57.

编辑鲁翠红

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