高中物理牛顿第二定律验证实验

牛顿第二定律的验证

一、实验目的：1.学会用控制变量法研究物理规律.

2.学会灵活运用图象法处理物理问题的方法

3.探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律．

4.探究力，质量和加速度的关系。

研究方法：

控制变量法：⑴保持m一定时，改变物体受力F测出加速度a，用图像法研究a与F关系

⑵保持F一定时，改变物体质量m测出加速度a，用图像法研究a与m关系

（1）用极限思想介绍瞬时速度是可行的。教材在定义了平均速度后进一步指出“为了使运动的描述精确些，可以把Δt取得小一些，运动快慢的差异也就小一些；Δt越小，描述越精确；想像Δt

非常小，可以认为表示物体的瞬时速度。

实验器材

小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺．

实验原理：

平衡摩擦力：平衡摩擦力时不要挂砝码盘，应连着纸带且通过打点记时器的限位孔，将轨道倾斜一定角度，此时物体在斜面上受到的合外力为0。此时轻推小车，小车能够匀速下滑，这就说明此时物体合外力为0，实验中小车受到的合外力就是绳子的拉力了。由于=，所以整个实验平衡了摩擦力后，改变

小车的质量不需要重新平衡摩擦力.物理量的测量：

（1）小车质量的测量：天平

（2）合外力的测量：①绳子的拉力不等于砝码盘及砝码的重力：砝码盘及砝码的总质量远小于小车的总质量时，可近似认为绳子的拉力等于沙和小桶的重力。

实验条件：m≫m′.

选小车(M)、砝码盘及盘内的砝码(m)为研究对象，

则mg＝(M＋m)a①

选砝码桶及桶内的砝码为研究对象

则mg－FT＝ma②

联立①②得：FT＝mg－

m2g M＋m

要使FT＝mg 需要m2g

M＋m

―→0即M≫m

(4)一先一后一按：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．

注意事项

实验过程中：①会安装复写纸，并且会调节复写纸的位置，将纸带从复写纸圆片下穿过。将计时器接入50 Hz交流电源，从交流4 V开始，观察振动片振动情况，若振动片振幅较小，再升高电压至6 V。

②开启电源，打点计时器工作，待1～2 s再拖动纸带打出点子。观察点迹是否清晰，打完点后，立即关闭电源（因打点计时器是按间歇工作设计的，避免线圈过热而损坏）。

③在纸带上打不出点或点迹颜色过淡情况下，纠正的对策大致有三种：电源电压较低（4 V）情况下，可适当调高；调整复写纸位置或更换复写纸；调整打点计时器。

④打点计时器的调整。如打不出点时，首先要检查压纸框的位置是否升高，而阻碍了振动片，振针打不到纸带上。可将压纸框向下压恢复其原来位置。这种情况一般是由于操作不当引起。检查打点计时器是否正常工作的方法是，将计时器接在4～6 V交流电源上，将纸带穿过计时器，开启电源后观察振针是否在纸带上打出印记。若没有打出印记，可能有两种情况。

·说明振动片没有工作在共振情况下。可拧松螺钉，适当调整振动片位置，紧固后观察振幅，若达到或接近共振状态即可正常工作。

·如果振动片振动较大仍打不出点，可调整振针的位置，直至打出点为止。若振针向下调节过长，则打点针打点的声音过大，且易出现双点，调节时要仔细。

⑤有的学生可能将打点计时器错接到学生电源的直流电源上（非稳压电源），也能在纸带上打出点迹，这是因为直流输出为单向脉动电流，频率为100 Hz，会导致数据处理时发生错误。

⑥使用电火花计时器在纸带上打点，安装纸带的方法有两种：一种是用一条纸带从墨粉盘下穿过，打点时墨粉盘不随纸带转动，电火花只将墨粉盘上某一位置的墨粉蒸发到纸带上，打出的点迹颜色较淡,打过一条纸带后要将墨粉盘转一角度再打另－条纸带。学生实验时可采用这一方法。另－种是用两条纸带，将墨粉盘夹在中间，拖动纸带时由于两条纸带的摩擦作用，墨粉盘会随纸带转动，电火花将墨粉盘上不同位置的墨粉蒸发到纸带上，所以打出的点迹颜色较重。墨粉盘上面的一条纸带没有点迹，可重复使用。用一条纸带打点时，纸带与打点计时器之间的摩擦阻力较小，用两条纸带打点时摩擦阻力较大。不管用哪种方法，打完纸带后立即切断电源。

◎内容建议（以电磁打点计时器为例）：

·在桌边固定打点计时器；

·将复写纸调节片向外拉出，将复写纸圆片孔套在复写纸定位销上，向里推调节片，可调节复写纸位置；

·将纸带穿过限位框，从复写纸下穿过压纸框，从另一侧限位框穿出；

·开启电源等待1 s ～2 s拖动纸带，拖出纸带后立即切断电源；

·在纸带上选取计数点，测量计数点之间长度时要用量程在30 cm以上透明塑料尺一次测量多组计数点间数值，不要用短刻度尺一段一段的测量计数点间距离，减小偶然误差。

实验步骤：

⑴用天平测出小车的质量M=200g。

⑵把实验器材安装好，

⑶调节轨道的倾角，平衡小车的摩擦力

⑷在砝码盘内放入砝码，测出砝码盘及盘内的砝码的重为m1=10g

⑸将小车放于靠近电火花计时器处，将小桶通过细绳挂在小车上（细绳绕过定滑轮），打开电火花计时器的开关，放开小车得到一打好点的纸带

⑹保持小车的质量不变，改变砝码盘内的砝码(m)的质量(15g，20g，25g，30g)，再做几次实验

⑺在每条纸带上都要选取一段比较理想的部分，算出每条纸带的加速度

⑻把各次实验中的数据填入表一内，画出a与F的图像（图1）

⑼保持小桶内砝码质量m2=15g不变，在小车上放钩码改变小车的质量（在小车上添加砝码使小车质量为243g，293g，343g，388g），重复上面的实验。把各次实验中的数据填入表二内，画出a与的图像（图2）

数据记录及处理：

表一

M（g）m（g）F(N) a（m/s²）

固定值改变

表二

M（g）m（g）1/M a（m/s²）

改变固定）

(1)利用Δx＝aT2及逐差法求a.

(2)以a为纵坐标，F为横坐标，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比．实验结论：

误差分析: