研究牛顿第二定律的演示实验装置的改进，本文主要内容关键词为：定律论文,演示论文,装置论文，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。
研究牛顿第二定律的实验是新版全日制普通高级中学教科书（试验修订本·必修）第一册的一个重要演示实验。通过随堂演示，探索了加速度与力和质量的关系，学生看后一目了然，不失为一个好实验。它把抽象的物理原理寓于简单的实验之中，达到了事半功倍的效果。笔者在授课过程中演示了该实验，感觉要是能稍稍改进一下，其效果将会更好。现把自己肤浅的想法介绍给大家。
一、原实验装置和操作
图1（a）、（b）是课本上研究牛顿第二定律的实验装置。该实验的操作方法是用夹子夹住图1（b）中两小车尾部的细绳。打开夹子，两车同时运动。关闭夹子，试图使两车同时静止（这一点很难做到）。从图1（b）可知，小车尾部的绳子在夹子口处有一个拐点，小车开始运动后，尾部的两根绳子都会向夹口的外侧移动，再闭合夹子时绳子根本不在夹口的范围内[图1（c）]。因此，做成功这个实验是比较困难的。即使能夹住绳子，由于夹子右侧的细绳向外倾斜，造成打点计时器的纸带略微向外倾斜，所打的点偏离原来位置，致使两车发生位移的测试偏差较大[图1（c）]。其次，由于夹子平放在木板上，使夹口处比水平绳子高度低，致使细绳略微向下凹[图1（d）]。当夹子张开时，此处绳子会上下振动，将影响其水平移动，也会造成实验误差。
要想更好的演示该实验，我们不妨对设计方案略作以下修改。
二、改进实验装置和操作
如图2（a），把装置框架做成上下放置的，改变课本上的左右并列放置。这样两小车的运动情况更便于学生观察。为了杜绝夹口与线绳的摩擦对实验造成的影响，换去大夹子，改用强电磁铁来控制小车的启动。该电磁铁用绝缘塑料夹固定在木板上，并在小车尾部卡上一铁片（或用铁盒小车），电磁铁用图2（b）中的直流电路控制。闭合开关S，由于电磁铁的磁性足够强，能够吸住小车，使小车静止。断开开关，电磁铁失去磁性，在左边砝码（包括砝码盘）拉力的作用下，小车向左运动。小车右边的线绳不受摩擦，它拖动纸带运动，使打点计时器所打的点较准确，从而可以减小实验误差。
图2（a）
图2（b）
三、讨论
用电磁铁控制两小车保证了同时启动，那么，怎么保证它们同时制动呢？为此在上面小车的尾部拴上一根较光滑的细尼龙丝线，从框架C、D的小圆孔穿过，拴在下面小车的尾部，如图2（c）中虚线所示[图2（a）也有]，丝线与CD上的小圆孔几乎无摩擦。实验时把控制细尼龙丝线向右边拉出，把两小车都拉到电磁铁处，被通电后的电磁铁吸引而静止。电磁铁断电后，两车以不同的加速度同时向左运动，直至控制细丝线被拉直的一瞬间，两车同时停止，从而保证了运动的等时性。
图2（c）
为什么两小车会同时制动呢？我们来分析一下。
砝码跟小车相比质量较小，细绳对小车的拉力可以认为近似地等于砝码所受的重力。断开电磁铁的开关后，两小车在砝码拉力的作用下，以不同的加速度同时向左运动，拉动细丝线CED上下同时向左抽出。因F[，1]＞F[，2]，所以上面小车的加速度大，于是细丝线CED上面抽动快，上面小车所抽出的细丝线长。但是不管上下细丝线哪个抽动得快，当细丝线被顿直的一瞬间[图2（d）]，两小车同时停止，打点计时器此时在各自纸带的某一位置上累积打点，这是打点记录的最后一点。这样，两小车同时启动，同时制动，保证了实验的等时性。实验时要注意，不要使两车运动的加速度和末速度太大，否则在停止的-瞬间控制细丝线-顿，将给两车较大的冲量，使两车略微反弹回来，影响最后打点的位置，会给实验造成新的误差。
图2（d）
当CED细丝线拉直时，上面小车所受的拉力F[，1]比下面小车所受拉力F[，2]大，会不会使两小车系统顿直瞬间在F[，合]=F[，1]-F[，2]的作用下，上面小车向左，下面小车向右运动呢？实验和理论证明：在该实验中不会。因为在细丝线顿直的瞬间，根据动量定理，上下两绳中拉力急剧增大，使细丝线CED对木板CD向左的压力急剧增大，又由于木板CD外侧较粗糙，此时CD木板对CED细丝线的摩擦较大（虽说细丝线CED较光滑，但实际上也存在摩擦），故瞬间使细丝线CED停下来，而不会使上面小车向左，下面小车向右运动，从而确保两小车同时制动。
如此设计实验，用电磁铁控制小车启动，用细尼龙丝线控制其制动，既可以避免夹口的摩擦，又保证了实验的等时性，可以较好地完成牛顿第二定律的演示实验。