牛顿三大运动定律的演示实验设计，本文主要内容关键词为：三大论文,定律论文,演示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
牛顿三大运动定律在物理教学中既是个重点也是个难点，是贯穿整个经典力学的主线。做好其演示实验，提高实验教学质量，对于学生掌握这些定律是至关重要的。但现行教材（高中物理必修课本）中，牛顿第一运动定律教学中没有安排演示实验；牛顿第二运动定律的演示，也仅采用了比较粗略的定性方法（如图1所示），不仅实际操作困难， 误差大，而且有局限性：只能同时比较两车的加速度情况；牛顿第三运动定律的演示，教材也只安排了两弹簧秤直接相拉的实验，其现象是明显的，但作为一个普遍适用的物理规律，我们认为有必要安排一个不直接接触的物体间作用力与反作用力规律的实验演示。基于上述考虑，我们设计了3个演示实验，供同行参考。
1 关于牛顿第一运动定律的演示实验设计
牛顿第一运动定律在高中物理教材中没有安排演示实验，而通常的演示大多是在气垫导轨上进行。我们设计该演示实验不仅可以取代气垫导轨，而且取材容易、操作简单、可见度大，还克服了在气垫导轨上演示的固有缺点，即它可在任意方向上演示该定律。具体介绍如下：
1.1 实验器材与准备
1.1.1 实验器材
节拍器1只，废旧日光灯管（如30W）1支， 能浮在白油上的手电筒用小电珠（如6.3V）1只，固定灯管的架子，白油（即缝纫机油）。
1.1.2 实验准备
去掉日光灯管一端，清除管内的荧光粉（注意收集灯管内少量的液态水银），使之成为可盛液体的透明容器。在管内注满白油，在电珠的螺口部分缠绕一些细熔断丝作配重，调整熔断丝的长度使之恰能完全悬浮在白油中。
1.2 实验演示
实验装置如图2所示， 调节灯管使之与水平成一θ角（θ可为任意值）。用棒轻推电珠，使其沿灯管的轴线缓慢运动，此时电珠所受合外力为零。就着节拍器的发声，用黑色记号笔在灯管壁上画出表示各发声时刻电珠位置的横线，直至电珠碰到灯管的封闭端。
设节拍器的周期为T，横线间距就表示电珠在各个T内通过的位移。实验表明各横线间距在实验误差范围内相等，证明电珠在各个时刻作匀速运动，验证了牛顿第一定律。
本实验还可改变电珠的运动方向，使之自上而下或自下而上运动，且运动可与水平成任意的倾角，从而引导学生正确认识与理解定律。
1.3 实验注意事项
（1）实验中不能使电珠与灯管壁相碰， 运动方向必须沿轴线方向，为了容易做到这一点，初速度应小一些。（2）实验中采用白油， 是考虑到在白油中电珠的速度变化对阻力的影响较小，在更粗略的实验中也可用水来代替白油。（3）实验中要利用光的全反射， 使小电珠在白油中显得特别明亮，从而保证实验的可见度。
2 关于牛顿第二运动定律的演示实验设计
现行高中物理教材第一册（必修本）中，牛顿第二运动定律的演示采用比较法（如图1所示），不仅粗糙，而且操作困难。 而一般要精确演示，常需采用气垫导轨。但这样装置复杂，操作不便，且不能用作学生实验。我们用常规基本仪器结合改造后的打点计时器[1]， 成功地开发了这一实验。该实验误差小，完全符合演示实验的要求。在实际教学中收到较好的效果。具体介绍如下：
2.1 实验器材
投影仪，改造后的打点计时器，铝合金轨道，小车（J2183 力学轨道小车，嘉兴教学仪器厂生产），学生电源，天平等。
2.2 打点计时器的改造
取一性能良好的打点计时器，在振针正对的金属底板处打穿一个直径约为0.5mm的小孔。再在振针的尖端处， 用细杂锦锉适当锉去其尖端，使振针尖端进入底板小孔内的长度约为0.2mm， 以控制打点计时器对纸带的工作阻力，使之符合实验要求。通过这样的改造，把原来打点的计时器改造成为在纸带上打孔的计时器。
2.3 实验的原理
将铝合金轨道、小车。打孔计时器等如图3安装。 通过调节铝合金轨道倾角，使得纸带上所打孔间距均匀，以保证平衡摩擦力（一般通过2～3次调整均能较好地平衡摩擦力，显然比教材中用比较法演示准确许多）。在小桶内加入质量为m的砂石， 此时小车受到的合外力近似等于砂的重力，即F＝mg。
2.3.1 当M一定时，α∝F的演示
保持小车的质量M恒定。在小桶内加入用天平称取的质量分别为m、2m、3m、4m的砂石（砂石的总质量应远小于小车的质量）。
接通打孔计时器的电源，释放小车，获得打孔后的纸带1、2、3、4。
将所打纸带第一个孔对齐，并排放在投影仪上（如图4）， 投影到毛玻璃黑板上，以增大可见度，方便进行数据分析处理。
从第一点开始选取相等时间间隔的各段（图示为选用5 个打孔间隔），它们在黑板上的投影的长度分别记作S[,1]、S[,2]、S[,3]、S[,4]。调节圆规两脚间距，使之等于S[,1]，以此长度度量S[,2]、S[,3]、S[,4]，在实验误差范围内正好是2S[,1]、3S[,1]、4S[,1]，即
S[,1]∶S[,2]∶S[,3]∶S[,4]＝1∶2∶3∶4。
因S＝αt[2]/2，得
S[,1]∶S[,2]∶S[,3]∶S[,4]＝α[,1]∶α[,2]∶α[,3]∶α[,4]＝1∶2∶3∶4。
又因小车受到的合外力F[,1]∶F[,2]∶F[,3]∶F[,4]＝1∶2∶3∶4，所以有
α[,1]∶α[,2]∶α[,3]∶α[,4]＝F[,1]∶F[,2]∶F[,3]∶F[,4]，即α∝F。
验证了M恒定情况下α∝F的关系。
在具体的数据处理中，也可方便画出α－F图像以反映α∝F的规律。
2.3.2 当F一定时α∝1/M的验证
由于篇幅限制，从略。
2.4 实验的特点
2.4.1 实验的精度有较大的提高
由于较好地平衡了摩擦力，我们用本文介绍的器材进行实验演示，每次都能获得满意的效果。
2.4.2 实验的信度更高，可见度更大
对摩擦力的平衡，学生能从动态观察（小车实际运动）到静态研究（所打纸带）判断出平衡情况，学生觉得真实可信，且通过投影让全班学生观察清楚，人人参与。
2.4.3 实验数据处理更简单
实验数据的测量不是用尺子直接测量，而是用圆规截出长度，以此来代表α的大小，大大简化了实验数据的处理，能较快地得出实验结论，符合课堂演示实验的要求。
3 关于牛顿第三运动定律的演示实验设计
在现行高中物理教材第一册（必修本）中，牛顿第三运动定律的演示，只安排了两弹簧秤直接相拉的实验。我们认为有必要安排不直接接触的物体间作用力与反作用力规律的实验演示，以丰富学生的感性认识，有利于学生更好地理解和掌握牛顿第三运动定律。我们设计的演示实验如下：
3.1 实验器材
100ml量筒一只，J2110、500gf螺旋弹簧一支，J2418电动机模型中的磁铁3～4块。
3.2 器材准备
将磁铁沿着同一S、N方向，试着放入量筒内，若磁铁的直径偏小，可在磁铁的外表缠上几圈纸，使其直径略小于量筒的内径。
为减小在实验过程中弹簧与量筒内壁之间的摩擦，可用6B铅笔顺着弹簧螺旋方向涂上一些铅笔屑。
3.3 实验演示
本实验主要研究两磁铁块（组）之间的相互作用的关系。（1 ）将弹簧放入量筒，用记号笔在量筒壁上画一横线记下弹簧顶端的位置。此时弹簧的原长记为I[,0]。（2）放入一块N极朝上的磁铁A，使弹簧压缩，记下此时弹簧顶端的位置（方法同上）。此时弹簧的长度记为L[,1]，则L[,0]－L[,1]＝ΔL就表示弹簧的压缩量，有kΔL＝G（k为弹簧的劲度系数）。（3）再放入一块N极朝下的磁铁B，弹簧进一步被压缩，记下此时弹簧顶端的位置。此时弹簧的长度记为L[,2]，如图5所示。此时A对B的作用力T[,1]等于磁铁B的重力G，即有T[,1]＝G＝kΔL。磁铁B对磁铁A的作用力T′[,1]等于弹簧对磁铁A的弹力的增量，即T′[,1]＝k（L[,1]－L[,2]）。由实验记录知L[,1]－L[,2]＝L[,0]－L[,1] ＝ΔL，得T[,1]＝T′[,1]，即证明此时磁铁A与磁铁B之间的相互作用力的大小相等。（4）同理，可再放入n块N极朝下的磁铁C，使弹簧进一步被压缩，记下每次对应的弹簧顶端的位置，弹簧相应长度可记为L[,n]，如图6所示。此时，磁铁A对悬浮磁铁B、C的作用力T[,n]等于磁铁B、C的总重力，即T[,n]＝（n＋1）G＝k（n＋1）ΔL。磁铁B、C对A的作用力T′[,n]等于弹簧对磁铁A的弹力的增量，即T′[,n]＝k（L[,1]－L[,n]。）。由实验记录知，在实验误差范围内各横线的间距是均匀的，即L[,1]－L[,n]＝（n＋1）ΔL。所以T′[,n]＝k（n＋1）ΔL＝T[,n]，即证明磁铁A与磁铁B、C间相互作用力的大小相等（在实际的实验演示中，悬浮磁铁块数可达3～4块）。牛顿第三定律的定量验证方便得到实现。注意：上述演示实验应在弹性限度内进行。
