学生实验设计意图

第3.8节

实验

验证牛顿第二定律

【实验目的】

验证牛顿第二定律。

【实验原理】

(一)

.实验原理

牛顿第二定律F合ma。

(二).实验装置

实验装置如图。

(三).实验条件：

在沙桶的拉力作用下，小车作匀加速运动，由牛顿第二定律可得：

沙桶：mgFma

小车：FfMa

mgMmg。

，FMmMm当Mm时，Fmg。

若f0，则a为了便于数据处理，首先使长木板有一定倾角，用重力沿斜面的分力平衡小车的各种阻力，即Mgsinf，然后满足Mm，则绳子的拉力满足Fmg，加速度a条件，数据处理就简单了。

因此，这个实验要满足两个条件：

（1）平衡小车的摩擦力；

（2）小车的总质量远大于沙桶的总质量，即Mm。

(四).实验方法：

Fmg，这样的实验MM1F。

m12．外力F一定，加速度与质量成反比aF。

m13．作a-F图线和a-图线，如果图象是过原点的直线，则m1．质量m一定，加速度与外力成正比a牛顿第二定律成立。

【实验器材】

小车，砝码，小桶，沙，细线，附有定滑轮的长木板，垫木，打点计时器，低压交流电源，导线，纸带，天平及砝码，米尺等。

【实验步骤】

1．测质量：用天平测出小车和沙桶的质量M0和m0，把数据记录在表格中。

2．安装：按如图装置把小车、打点计时器、电源、纸带安装好，但不挂小桶。

3．平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上木块，反复移动木块的位置，直至小车在斜面上可以作匀速运动为止，（从纸带上打的点是否均匀来判断）。

4．质量M一定，改变拉力F，测量不同拉力作用下的加速度。

（1）挂上砝码盘（沙桶），在小车上加适当钩码M，在盘（或沙桶）里加适量砝码m（或沙），并把M和m的质量记录在表格里；

（2）先接通电源，再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，取下纸带，在纸带上写上编号；

（3）保持小车和钩砝的总质量不变，在盘（或沙桶）里加适量的砝码，按上述步骤再做5次实验。

5．保持拉力F一定，改变质量M，测量质量下的加速度

（1）保持沙桶和沙的总质量不变，在小车上加适当钩码M，并把M和m记录在表格里；

（2）先接通电源，再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，取下纸带，在纸带上写上编号；

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（3）保持沙桶和沙的总质量不变，在小车里加适当钩量砝码，按上述步骤再多做几次实验。

小车质量M0

小桶质量m0

M一定

小车的拉力F(m0m)g

次数

1 2 3 4 5 F一定

小车和钩码的总质量MM0M

次数

1 2 3 4 5 m

拉力F

加速度a

M

1M0M

加速度a

【数据处理】

1.计算质量M一定时，不同拉力F作用时每条纸带对应的加速度a的值，

(1).由数据判断a与F是否成正比；

(2).作a-F图象，若图象是过原点的直线，则说明物体的加速度与它的作用力成正比。

2.计算拉力F一定时，不同质量M时每条纸带对应的加速度a的值，

(1).由数据判断a与1/M是否成正比；

(2).作a1图象，若图象是过原点的直线，则说明物体的加速度与它的质量成反比。

M【注意事项】

1．小桶和砝码的总质量应远小于小车和钩码的总质量

。

2．在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，但小车应通过打点计时器连着纸带，且接通电源后，用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。

3．平衡摩擦后，以后每次实验时就不再平衡摩擦力了。

4．作图时应该使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能对称地分布在直线的两侧，但如遇个别特别偏离的点可舍去。

【误差来源及分析】

一、误差来源

1．测量小车和小桶的质量M0和m0带来的误差，2．测量记数点间的距离带来的误差，

3．平衡摩擦造成的误差，

4．未满足M>>mg造成的误差。

二、系统误差产生的原因

实验时，平衡摩擦力后绳子对小车的拉力等于小车所受的合力，数据处理时认为绳子对小车的拉力

等于沙桶的总重力。但是，沙桶mgFma，Fmgmamg，因此，实际上绳子的拉力总是小于沙桶的总重力，实验时为了减小这种由实验原理造成的系统误差，应满足的措施有：①平衡摩擦，

②Mm。

三、图象分析

1.下图是质量M一定时，改变拉力F（mg）的大小，作出的a—F图象如图A、B、C所示，分析各个图象形成的原因？

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A：木板倾角太大，F=0时，有加速度；

B：未平衡摩擦，有拉力时，a=0；

C：Fmg(Mm)a，a直线向下弯曲。

2.下图是拉力F一定时，改变小车质量M的大小，作出的a图象形成的原因？

11F，k为坐标点与原点连线的斜率，m↑，k↓，MmMm1图象A、B、C所示，分析各个M

A：木板倾角太大，因为M→∞时，有加速度；

B：未平衡摩擦，M较大时，有拉力，a=0；

C：FMa，aF向下弯曲。

1，kF为坐标点与原点连线的斜率，M↓，a↑，F↓，k↓，则直线M

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