探究牛頓第二定律的實驗創新

李新良

(泰興中學 江蘇 泰興 225400)

1 實驗器材

一端附有定滑輪的長木板，材料相同的滑塊 A和B ，1根不可伸長的輕繩(1 m左右)，電磁打點計時器，復寫紙，低壓交流電源，紙帶若干，天平(帶有1套砝碼)，刻度尺.

2 實驗原理

設滑塊A 和B的質量分別為M和m，如圖1所

圖1

示，將長木板右端抬起一個角度后固定，使滑塊A或B能沿長木板勻速下滑.然后用跨過定滑輪的細線連接A和B，由靜止釋放，則對 A和B有

mg=(M+m)a

(1)

設繩中張力為F，對A 有

F=Ma

(2)

由(1)、(2)式得

(3)

原理1：以滑塊A作為研究對象(圖1)，當滿足M?m時， A所受的合力

F≈mg

(4)

事實上(3)、(4)二式并不相等，這就是不可克服的系統誤差.

然后保持一個參量不變，改變另一個參量，分別探究加速度a與M(或F)的關系.

原理2：以滑塊A和B的整體作為研究對象，保持兩滑塊的質量M和m均不變，將它們互換位置重新做一次實驗，則對A 和 B有

Mg=(M+m)a′

(5)

比較(1)、(5)兩式，滿足系統總質量不變，系統合力F合大小等于所懸掛滑塊的重力，必能得出總質量不變時，a∝F合，這是一種創新方案.

原理3：以滑塊A為研究對象，由(3)式

關于原理1所涉及的方案及操作，本文不作討論.現著重討論將原理2、原理3結合后得到的一個創新方案.

3創新方案

圖2

(2)根據以下列舉的簡單的數學運算，設計若干組M和m的取值：

根據以上運算，設計表格1，將對應的數值填入表1.

表1

a∝mga∝F

這樣，既能克服系統誤差，又能通過控制變量法來探究牛頓第二定律.

4 實驗步驟

(1)按照圖2所示裝置把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小桶的細線系在小車上(即不給小車加牽引力).

(2)平衡摩擦力.在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木板，反復移動木板的位置，直至小車在斜面上保持勻速運動狀態.這時小車拖著紙帶運動受到的摩擦阻力恰好與小車所受重力在斜面方向的分力平衡.

(3)用天平測量小車和小桶的質量.根據表1中第Ⅰ組中設計的M和m的數值，借助天平準確向小車和小桶中添加適當質量的沙子.

(4)把細線系在小車上并繞過滑輪懸掛小桶.先接通電源，再放開小車，打點計時器在紙帶上打下一系列的點.打點完成后切斷電源，取下紙帶，在紙帶上標上號碼1.

(5)分別根據表1中第Ⅱ，第Ⅲ，第Ⅳ組設計的M和m的數值，重復上述步驟(3)、(4)六次，并分別在紙帶上標上號碼2，3，4，5，6，7.

(6)在得到的編號為1，2，3，4，5，6，7的紙帶上選取一段比較理想的部分，標明計數點，測量計數點間的距離，算出每條紙帶對應的加速度值，填入表1.

5 說明

(1)為了完成本次實驗，必須用大量程天平.

(2)實驗前可以再多設計幾組質量的取值，設計的取值間應拉開差距，實現多次測量以減小偶然誤差.

(3)實驗使用的長木板、細繩最好盡可能長些，這樣延長了打點的時間，能得到間距更大的計數點以減小長度測量的偶然誤差.

(4)查閱當地重力加速度的準確值能減小誤差.