高考物理实验复习之验证牛顿第二定律

验证牛顿第二定律

　　实验目的：

　　1、学会用实验的方法探究物体的加速度与力、质量的关系，即质量一定时，加速度与作用力成正比；作用力一定时，加速度与质量成反比。

　　2、掌握用控制变量法研究问题的实验方法

　　实验仪器：电磁打点计时器、复写制片和纸带、一端带滑轮的长木板、小车、小桶、沙子、低压交流电源、天平、砝码、刻度尺、导线两条

　　实验原理：控制参量ｍ一定，研究ａ与Ｆ的关系；控制参量Ｆ一定，研究ａ与ｍ的关系。

　　实验步骤： (1)用天平测出小车质量m，在砂桶内加适量的砂，用天平测出砂和桶的总质量m₁(要保证m₁≤0.05m)。把打点计时器固定在长木板上。

　　(2)把纸带系在小车上，并使纸带穿过打点计时器。把木块垫在装有打点计时器的木板一端下面，调节木块位置使小车能在木板上做匀速运动。这时，小车所受摩擦阻力与小车所受重力沿斜面方向的分力平衡(注意此时未挂砂桶)。

　　(3)把系在砂桶上的细线绕过木板上的定滑轮后系在小车上，把小车放在打点计时器附近，接通电源，放开小车，便在纸带上留下反映小车运动状况的点迹。取下纸带并编上号码。

　　(4)给小车换上新纸带，保持小车质量不变。往砂桶内加一些砂，并称出其质量(注意仍需保证m>>m₁)。重复步骤(3)。如此做几次。对各次实验所得的纸带取好计数点，进行测量和计算，求出每条纸带对应的小车的加速度，分别记入上面的表格中。图像法：用纵坐标表示加速度ａ，横坐标表示作用力Ｆ，作用力的大小Ｆ等于重物的重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比。

　　(5)保持砂桶总质量m₁不变，往小车上依次加不同数目的砂袋(其质量预先测出)，重复步骤(3)几次。把各次纸带数据记入下面的表格中。用纵坐标表示加速度ａ，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点。如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比。

　　(6)分析实验数据，看是否符合牛顿第二定律。

　　注意事项：

　　(1)平衡摩擦力：采用上述“垫板法”平衡摩擦力（未挂沙桶）改变小车质量和绳子拉力均不需再调。这是因为摩擦力和小车所受重力沿斜面方向的分力总是成正比地变化的。调匀速时，先进行目测，最后应打一条纸带观察，看是否调到匀速了。（系统误差）

　　(2)为了保证m>>m₁，小车质量应足够大。（系统误差）

　　原因：(m过大则绳子T≠mg)

　　如果摩擦力可以不计，则对质量为m的砂桶和砂及质量为M的小车分别有

　　T=Ma           (1)

　　mg－T=ma       (2)

　　解得    T= mg

　　当      M>>m时，T≈mg

　　则(1)式变为mg≈Ma所以，如果实验测得在M一定时，a∝mg，在mg一定时a ∝ 1/M，就验证了牛顿第二定律。

　　(3)如果平衡摩擦力做得不好，则图像不会通过坐标原点(平衡过度：直线上移；平衡不足：直线下移)；如果不满足m>>m₁的条件，图像将会是一条曲线（趋于平缓）。出现后一种情况时，可以采用保证运动系统(小车和砂桶)的总质量不变来消除。办法是，预先在小车内装几个小砝码，在需要改变加速的力时，把这些砝码移少量到砂桶内。只要摩擦力能得到较好的平衡，就可以得到过坐标原点的直线。不过，在计算质量时，应把砂桶的总质量考虑在内。

　　(4) 绳子平行于斜面，桶应该稳定，不要晃动 （偶然误差）

(5) 改变重物和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。（偶然误差）