验证牛顿第二定律的三类实验对比
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验证牛顿第二定律是力学实验中的经典，一直以来成为命题专家们进行翻新、拓展与变式的实验课程资源.经过命题专家们的不断翻新、拓展与变式后，试题体现了源于教材但又高于教材，体现了“重视科学探究，强调过程与方法”，体现了由知识立意向能力立意的新课程理念.同时试题要求考生能够运用自己学过的物理理论应用于实验，很好地考查了学生的实验综合能力.现对验证牛顿第二定律的三类实验进行简要对比分析.
1利用传感器直接测量拉力
例1图1为用速度传感器和拉力传感器验证“质量一定时加速度与物体所受合外力成正比”的实验装置示意图，实验主要步骤如下：
①在长木板上A、B两点各安装一个速度传感器，读出A、B两点的距离L；
②将拉力传感器固定在小车的左端；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；
③接通电源，将小车自C点释放，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力F的大小以及小车经过A、B时的vA、vB；
④由运动学公式计算出小车的加速度a，并将测得的拉力和加速度填入实验数据表；
⑤改变所挂钩码的数量，重复③、④的操作，实验数据表如表1：
表1次数12345F/N0.601.041.422.623.00a/（m/s-2）0.801.682.444.845.72（1）由表中数据，在图2坐标纸上作出a-F实验图线（图中已画出的为理论图线）：
（2）实验图线与理论图线存在偏差的主要原因是
（3）下列不必要的实验要求是.（请填写选项前对应的字母）
A.要保持小车（含拉力传感器）的质量M不变
B.要保证小车（含拉力传感器）的质量M远大于所挂钩码的质量m
C.两速度传感器间的距离要适当大些
D.要保持拉线方向与木板平面平行
解析（2）未平衡摩擦力或平衡摩擦力不够（3）B
设计意图这是一道非常具有创新、但又非常具有迷惑力的实验题.创新之处：利用力传感器直接测量出了细线拉力F的大小，打破了传统实验中用不易测量的量细线拉力F转化为容易测量的量即钩码的重力mg；迷惑之处：由于部分教师平时教学的过度“严谨”，过度强化了实验结论的重要性：Mm，T≈mg，而恰恰忽略了实验教学中为什么要用钩码的重力mg近似代替细线的拉力T，在实验条件不允许的前提下，无法直测细线之拉力大小T，所以学生把这道创新的实验与传统的非传感器下的实验相混淆，不容易看透实验考查的意图，导致第三问的失分现象很严重.
2利用近似转化法测量拉力
例2在“验证牛顿第二定律”的实验中，采用如图3所示的实验装置，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带打上的点计算出.
（1）当M与m的大小关系满足时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重力.
（2）一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据.为了比较容易地检查出加速度a与质量M的关系，应该做a与的图象.
（3）如图4（a），甲同学根据测量数据做出的a-F图线，说明实验存在的问题是.
（4）乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的a-F图线，如图4（b）所示，两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同？
解析（1）Mm（2）a-1M（3）平衡摩擦力时木板倾角过大（4）两小车及车上的砝码的总质量不同时，a-F图象的斜率也就不同.
设计意图这是一道较传统的实验题.精彩之处：①利用了数学中的近似思想，考查了学生应用数学方法处理物理问题的能力，采用隔离法处理得到绳子中的拉力F=MmgM+m，由于拉力F在没有力传感器的情况下不易测得，故利用转化法把不易测量的量转化为易测量的物理量，进一步考查了学生的转化能力，通过数学处理得F=mg[]1+m/M，当Mm时，F≈mg，故实现了把不易测量的转化为易测量的；②保持盘及盘中砝码的质量一定时，即合外力一定，加速度a与质量M之间成反比，采用图象法处理数据，故研究a-1M的图象，很好地考查了化曲为直的思想；③考查了学生一定的综合分析能力（误差的来源）
3利用整体法回避测量拉力
例3小明同学用如图5所示的实验装置验证牛顿第二定律，一端固定有定滑轮的长木板水平放在桌面上，沙桶通过绕过定滑轮的细线拉动小车，细线与长木板平行，小车上固定盒子，盒子内盛有沙子.
（1）她想用砂和砂桶的重力表示系统（小车、盒子及盒内沙子、悬挂的桶以及桶内沙子）受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为实验中还应该采取的措施是：.
（2）验证在系统质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出.多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度.本次实验中，桶内的沙子取自小车中.故系统的总质量不变.以合外力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出a-F图象，图象是一条过原点的直线.则a-F图象斜率的物理意义是.本次实验中，是否应该满足悬挂的沙桶总质量一定要远远小于小车（包括盛沙的盒及盒内的砂）的总质量？ 答：（填“是”或“否”）；理由是.
（3）验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：保持桶内沙子质量不变，在盒子内添加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系.本次实验中，桶内的沙子总质量不变，故系统的所受的合外力不变.用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以哪一个质量的倒数为横轴？
A.小车质量、盒子及盒内沙子质量之和
B.小车质量、盒子及盒内沙子与悬挂的沙桶（包括桶与桶内的沙）质量之和
解析（1）平衡摩擦力（2）系统总质量的倒数否研究对象是系统而非小车本身（3）B
设计意图这同样是一道颇具创新思想的是实验题.创新之处：很好地考查了整体法思想，利用整体法很好地回避了细线拉力的测量问题，在平衡掉摩擦力的前提下，使易测量的沙与沙桶的总重力成为整个系统的合外力，使实验原理进一步得到了完善，所以不需要满足小车、盒子及盒内沙子远远大于砂和砂桶的重力，回避了系统误差，但同样对学生的迁移能力、理解能力及综合分析能力提出了更高的要求.
对比实验，感悟意图：验证牛顿第二定律也好，探究“加速度与质量、合外力的关系”也罢，此实验也一直受到命题专家的青睐，成为高考物理中的热点问题，经过命题专家们的精彩变式，如研究对象的变换，由单个小车变换为整个连接体系统；由传感器直接测量拉力变换为用钩码的重力近似替代拉力，再到回避拉力，成为很好的考查学生各种能力的经典实验，如理解能力、探究能力、综合分析能力、应用数学处理物理问题的能力、转化能力、误差分析能力等.正因为高考由知识立意已转向能力立意，所以在平时物理实验教学中，应注重过程分析，淡化结论记忆，明确实验目的，清楚研究对象，吃透实验原理等.不管实验的研究对象、实验原理等如何精彩地变式，只要抓住实验目的，问题便迎刃而解.先对此实验中可能会出现一些考点进行梳理，以便更有针对性地进行复习：
（1）研究对象：清楚研究对象是小车还是小车以及钩码的系统，只有明确了研究对象以后，才能进一步明确合外力的来源，如果是小车，合外力由拉力与小车与桌面间的摩擦力提供；如果是小车以及钩码的系统，合外力由钩码的重力与小车与桌面间的摩擦力提供.
（2）平衡摩擦力：只有明确了研究对象，清楚受力分析后，才能明白为什么要平衡力？构建简单化的物理模型，使小车也好，系统也好，合外力变得简单了.
（3）怎么样平衡摩擦力：去掉钩码，垫高木板的另一端，使小车沿斜面的重力的分力等于滑动摩擦力.
（4）怎么样才算平衡掉摩擦力：在逐渐垫高的过程中，不能等到小车开始滑动时，应在垫高的过程中，轻推小车，使小车具有一定的初速度，然后通过纸带分析，是否已经平衡掉摩擦力了，看纸带打点是否几乎间隔均匀，如果几乎间隔均匀，则已平衡摩擦力.
（5）误差分析：如果研究对象是小车，分析图象，图象过不过原点则是由于平衡摩擦力造成的误差，与纵轴有交点，则平衡过渡，如果与横轴有交点，则平衡摩擦力不够或没有平衡摩擦力；分析a-F图象或a-1/M图象发生弯曲，说明斜率发生变化，则由于在改变质量的过程中造成小车的质量M与钩码的m之间不能满足远远大于的关系.
（6）是否需要满足Mm：如果研究对象是小车，且通过转化法把拉力近似转化为钩码重力，则需要满足Mm；如果研究对象是小车，但通过传感器直接测量拉力，则不需要满足Mm；如果研究对象是系统，则也不需要满足Mm.
（7）研究物理量之间的线性关系：在合外力一定的情况下，a-M也好，a-（M+m）也好，则通过化曲为直的思想，研究a-1/M或a-1/（M+m）.
总之，不管是上述哪类实验，只要明确实验目的，一切从研究对象，实验原理等进行具体分析，善于把陌生的、创新的实验与熟悉的实验进行比较，找出共同点与不同点，问题便会迎刃而解，进而提升学生的实验能力.