牛顿第二定律实验的误差分析和改进方案

牛顿第二定律实验的误差分析和改进方案
摘要：牛顿第二定律实验是高中物理的力学实验之一，随着科技的进步，对牛
顿第二定律实验的做法较多，传统实验由于器材条件及实验本身等方面的原因，
做好该实验并不容易。

本文就传统牛顿第二定律的实验进行误差分析和讨论，同
时列出了几种改进方案，并对各实验设计的特点、误差等方面作了一些分析、比
较和讨论。

关键词：误差分析质量加速度力改进
一、实验的误差来源
2.系统中的摩擦力引起的误差
小车拖着纸带运动受到的摩擦力实际有两部分：（1）木板对小车的摩擦；（2）限位孔
对小车的摩擦。

当摩擦力平衡时有Mgsinθ=μMgcosθ+F（F指限位孔对小车的摩擦），当研究加速度与力
的关系时，物块的质量不变，Mgsinθ=μMgcosθ+F关系式始终成立，当研究加速度与质量的关系时，M发生变化，F保持不变，Mgsinθ=μMgcosθ+F不再成立。

二、实验改进
1.改进方案一
（1）在传统的试验中，木板对滑块有摩擦力，在平衡摩擦力时，由于物体是否做匀速
直线运动不易判断，误差较大。

可换用气垫导轨，从小孔出来的气体比较均匀，滑块受力均衡，在调平衡时只要滑块在导轨上的任意位置处于静止状态即可，避免了传统实验平衡摩擦
力带来的误差。

（2）由前面我们知道，传统实验处理时是把绳子拉力约等于悬挂物的重力来处理，而
实际上绳子的拉力要小于悬挂物的重力，我们前面已经证明过。

这是引起实验误差的一个重
要原因，特别是当小车的质量不是远大于悬挂物的质量时，误差更加明显；而且，对学生以
后的连接体问题的学习会造成很大影响，因为学生从这个实验中看到，用悬挂物的重力代替
绳子拉力，以后他们碰到这样的连接体问题时，总会认为绳子的拉力就等于所挂物的重力。

因此，要克服以上缺点，最好是直接把绳子对小车的拉力测出来。

要测力，可以把力传感器和滑块相连，这样传感器的读数就等于小车受到的拉力，如图4，即Ｆ=Ma。

2.改进方案二
我们可采用气垫导轨的倾斜下滑法来验证牛顿第二定律。

如图5所示，将调平后的导轨
一端底脚螺丝下垫上一块厚度为h的垫块，此时导轨与水平地面的夹角为θ，滑块在倾斜的
导轨上受到一个外力F=Mgsinθ。

由几何关系sinθ=，L为导轨两端底脚螺丝的距离。

在这个
外力的作用下，滑块将获得一个沿斜面向下的加速度a。

根据牛顿第二定律，其动力学方程
为mg=ma。

光电门安装在导轨的一侧，和电脑计数计时仪相连。

电脑计数计时仪可以测出
滑块上宽为d的挡光片通过光电门所需的时间，其中的计算电路可计算出滑块通过光电门时
的速度和滑块在导轨上运动的加速度，时间、速度、加速度都可由显示屏读出。

总之，本改进实验解决了学生的困扰，认识到了传统实验的弊端，在他们学习连接体问
题时有很大帮助。

虽然该改进实验还是存在很大误差，但总体来说还是有它积极的意义。

参考文献
[1]束炳如何润伟普通高中课程标准实验教科书物理（必修1）.上海科技教育出版社，2007年3月，第二版。

[2]薛金星中学教材全解（配套上海科技教育出版社实验教科书）.陕西人民教育出版社，2005年7月，第一版。

[3]怀化学院大学物理实验报告。