《验证牛顿第二定律》实验试题赏析

高中物理《考试大纲》规定的力学部分的六个学生实验中，《验证牛顿第二定律》的实验原理、研究方法（控制变量法）、数据处理方法（图像法）、误差控制（平衡法）等，对学生的思维分析能力和实验操作能力提出了较高的要求，是考纲规定的十一个学生分组实验（包括电学部分）中的难点之一，因而，受到命题专家的青睐，每年命制的十八套试卷（全国、自主命题省份）都有所考查.本文拟根据《考试大纲》中的实验能力要求及实验试题的核心器材进行分类赏析.（为节省篇幅，部分试题节选了试题的一部分，部分试题省略了解析过程）.

一、基于教材的基本实验

（1）完成下列实验步骤中的填空.

①平衡小车所受的阻力.小吊盘中不放物块，调整木板右端的高度，用手轻拨小车，直到打点计时器打出一系列的点.

②按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块，在小车中放入砝码.

③打开打点计时器电源，释放小车，获得带有点列的纸带，在纸带上标出小车中砝码的质量m.

④按住小车，改变小车中砝码的质量，重复步骤③.

⑤在每条纸带上清晰的部分，每5个间隔标注一个计数点.测量相邻计数点的间距s1，s2，….求出与不同m相对应的加速度a.

⑥以砝码的质量m为横坐标，1a为纵坐标，在坐标纸上做出1a-m关系图线.若加速度与小车和砝码的总质量成反比，则1a与m处应成关系（填“线性”或“非线性”）.

（2）完成下列填空

（）本实验中，为了保证在改变小车中砝码的质量时，小车所受的拉力近似不变，小吊盘和盘中物块的质量之和应满足的条件是.

赏析此题来源于教材，与教材实验装置一致，但实验的一些做法与教材不一样，并且设问方式很有特色.

1.教材中平衡摩擦力的方法是带有纸带的小车做匀速运动，利用小车重力沿斜面向下的分力平衡摩擦力，而本题（1）①是小吊盘与带有纸带的小车一起匀速运动，用小吊盘的重力与小车重力沿斜面向下的分力的合力平衡摩擦力.

2.本题（1）⑥中，以砝码的质量m为横坐标、1a为纵坐标，在坐标纸上做出1a-m关系图线，从而验证“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”.与学生熟知的教材实验的区别有二.一是教材中处理实验数据的方法：以小车和车上砝码的总质量（M+m）倒数为1M+m为横坐标，以加速度a纵坐标，做出a-1M+m图像；二是质量仅为小车上砝码的质量.这要求考生要有扎实的基础知识、辨析能力及灵活变通能力.

3.“化曲为直”的思想仍是图像法处理数据的主旋律.（2）（）中给出了1a-m关系图线，要求求出小车受到的拉力和小车的质量.体现了“规律与实验相融，公式与图像并美”.该问虽是常规的“数形结合”类题目，但在写1a=f（m）函数表达式时要特别注意此式中的m应是小车质量M与小车上砝码质量m的和，与图像中m的含义的不同.

本题考查验证牛顿定律实验基本原理的掌握、运用图像处理数据的能力的同时，通过“变式”变换设置了两个难点考查考生的思维的缜密性、灵活性和应用数学知识解决物理问题的能力.

案例2（2012年安徽卷 节选） 图1为“验证牛顿第二定律”的实验装置示意图.砂和砂桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为M.实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小.

赏析本题是对教材实验的基本考查.分别考查了考生平衡摩擦及检验的方法和纸带的处理（求加速度）的能力.最大的亮点是第二问：将M远大于m这一抽象的实验要求具体化.考生对实验中“当M远大于m时，用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小”的前提条件背的滚瓜烂熟，但具体到实验操作时 “M和m”的取值问题，若没有实际做过该实验，考生可能会显得束手无策.

在具体的实验操作中，“M远大于m”的取值条件：M是m的3～5倍以上.

从此问可以看出，命题人对中学实验教学的期望，是一种“能力发展观”，在高考中对物理实验的考查，尽管是“纸笔测验”，但命题时还是力图通过“纸笔测验”来考查考生的包括实验操作能力在内的实验能力，他们对实验的考查要求强调了如何“操作”，要体现的是“只有动手做过实验才能得分”的实验设计理念.

二、源于教材中验证牛二律实验原理的延伸与拓展

（3）小车做匀加速运动的合力是砝码、砝码盘的总重力，在计算小车的合外力时未计入砝码盘的重力，由做出的a-F图像（图略）可得到砝码盘的重力约为0.08 N.

本题是对教材中验证牛顿第二定律实验原理的拓展和延伸，避免了考查原实验.课本上的实验中，当满足小车的质量远大于砝码和砝码盘的总质量时，细绳对小车的拉力约等于砝码和砝码盘的总重力.因此在解决此类题目时我们应注意和教材中实验对照，从实验原理和创新上多思考.

赏析本题将教材中基本的力学模型--斜面模型，力学中的重要规律――牛顿第二定律，实验的基本方法――控制变量法，处理数据的基本方法――图像法，以及实验的探究性、创新性综合在一起全面考查学生的综合分析能力、实验设计能力及数据处理能力，题目源于课本，而又高于教材，充分体现了实验的创新性 .

《考试大纲》对实验能力的要求有明确说明“…对结论进行分析和评价；能发现问题、提出问题，并制定解决方案；…”.该实验的最大亮点是第（2）问，对消除摩擦阻力的方案的评价.对实验方案的评价，主要是从误差分析角度利用学过的物理理论进行相关分析，进而达到“控制实验条件”的目的.