牛顿第二定律的验证

实验名称：牛顿第二定律的验证

教学目的：

熟练并掌握打点计时器的使用，掌握利用图像来处理数据的方法，掌握实验目的、原理和步骤，了解系统误差的来源和减小误差的办法，会用图像处理结果。

教学要求：

掌握验证牛顿第二定律实验的基本方法、实验操作和结果分析；熟练掌握电磁打点计时器的原理、结构、使用方法和检验、调整的方法；能分析实验误差来源并试图解决之，了解何处是实验易出错的地方，并讨论分析为什么存在此实验教学难点。

教学意义：

“牛顿第二定律验证”实验课起到了承上启下的作用，承上，使学生加深了对牛顿第一定律的理解；启下，通过实例定量地验证了牛顿第二定律，加速度与质量、外力的关系直接作用于今后的力学学习内容中，对牛顿第二定律的印证会起到基础性的作用。

实验仪器：J0203电磁打点计时器、纸带、复写纸、细线、小车、铁片、铝块、勾码、导轨、托盘天平、交流电源、导线若干。

实验原理：

1.保持物体的质量不变，测量物体在不同的外力的作用下的加速度，比较其与理论值之间的百分误差，并最终验证牛顿第二定律。

2. 保持物体所受外力不变，测量物体在不同质量的情况下的加

速度，比较其与理论值之间的百分误差，并最终验证牛顿第二定律。作出加速度a与质量的倒数1／M的关系图像。

实验步骤：

1、利用天平测出小车和砝码的总质量，记于表中。

2、按照图1-1将实验器材安装好，细绳一端不接砝码，即不给小车加牵引力。

3、平衡摩擦力：调节导轨在打点计时器一侧的高度，使得小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态。

4、细绳一端系上一个砝码。先通电源再放小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完后切断电源，取下纸带，并标号记号。

5、增加砝码质量，保持小车和砝码质量不变，改变钩吊的砝码质量，使得其质量远小于小车和砝码的总质量，记录钩吊的砝码质量m，重复步骤4.

6、重复步骤5三次得到四条纸带。

7、在每条纸带上选取一段较为理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值。

8、用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F（F= m‵g），根

据实验结果在坐标系中标出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，表说明了加速度和作用力成正比。

9、保持重物质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数。根据实验结果在纵坐标平面上画出相应的点。如果这些点是在一条直线上，就证明了加速度与质量成反比。

数据处理：

结果分析：

1、保持物体（运动小车）质量不变的情况下，测量加速度与提供外力的关系时，因没有调平衡，因此在外力小，加速度小的情况下，摩擦力对实验结果的影响相对较大，当改变外力到一定程度（较大）时，加速度较大，此时同等大小的摩擦力对实验结果的影响已被削弱，此情况下在误差允许范围（＜5.0%）时，可验证牛顿第二定律成立。

2、在保持外力不变的情况下，测量加速度与物体（运动小车）质量之间的关系时，由于我们尽量做到物体质量远远大于提供外力的物体质量，所以所测量的加速度值比较接近理论值，从而保证了小误差范围内对牛顿第二定律的验证。

3、在保持外力不变的情况下，测量加速度与物体（运动小车）质量之间的关系时，由于我们尽量做到物体质量远远大于提供外力的物体质量，所以所测量的加速度值比较接近理论值，从而保证了小误差范围内对牛顿第二定律的验证。

4、综上所述，较好的实验条件是：①消除摩擦力的情况下，提供的外力要小，即提供外力的物体质量要远远小于运动物体（小车）的质量；②若未消除摩擦力，则一方面要将外力加大，尽量使其远大于运动物体所受的摩擦力，然且需满足此时的提供外力的物钩码质量要尽量远小于运动物体的质量。③实验中可将斜面适当倾斜，利用小车自身重力的分力来平衡小车所受摩擦力，使得小车水平方向所受合外力近似为0。

实验的教学应用有哪些：

1、实验用的打点计时器用以记录物体运动的轨迹，并附着速度

的内容在纸带的点上，通过使用该仪器，我们就一定量的分析一个物体运动的加速度及某点的瞬时速度。

2、实验所用的控制变量法将在今后做电阻电容等很多实验中普遍用到，此实验将会让同学学会使用控制变量法及其具体操作。

3、实验的托盘天平的规范使用将培养同学们严谨规范的操作步骤。

4、以重力分力平衡摩擦力的设计可培养学生思考解决问题的能力。