探究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

李新良

(泰興中學(xué) 江蘇 泰興 225400)

1 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)計(jì)時(shí)器，復(fù)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(shí)驗(yàn)原理

設(shè)滑塊A 和B的質(zhì)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(xì)線連接A和B，由靜止釋放，則對 A和B有

mg=(M+m)a

(1)

設(shè)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(dāng)滿足M?m時(shí)， A所受的合力

F≈mg

(4)

事實(shí)上(3)、(4)二式并不相等，這就是不可克服的系統(tǒng)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(guān)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(zhì)量M和m均不變，將它們互換位置重新做一次實(shí)驗(yàn)，則對A 和 B有

Mg=(M+m)a′

(5)

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

原理3：以滑塊A為研究對象，由(3)式

關(guān)于原理1所涉及的方案及操作，本文不作討論.現(xiàn)著重討論將原理2、原理3結(jié)合后得到的一個創(chuàng)新方案.

3創(chuàng)新方案

圖2

(2)根據(jù)以下列舉的簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，設(shè)計(jì)若干組M和m的取值：

根據(jù)以上運(yùn)算，設(shè)計(jì)表格1，將對應(yīng)的數(shù)值填入表1.

表1

a∝mga∝F

這樣，既能克服系統(tǒng)誤差，又能通過控制變量法來探究牛頓第二定律.

4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按照圖2所示裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小桶的細(xì)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(fù)移動木板的位置，直至小車在斜面上保持勻速運(yùn)動狀態(tài).這時(shí)小車拖著紙帶運(yùn)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(zhì)量.根據(jù)表1中第Ⅰ組中設(shè)計(jì)的M和m的數(shù)值，借助天平準(zhǔn)確向小車和小桶中添加適當(dāng)質(zhì)量的沙子.

(4)把細(xì)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(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn).打點(diǎn)完成后切斷電源，取下紙帶，在紙帶上標(biāo)上號碼1.

(5)分別根據(jù)表1中第Ⅱ，第Ⅲ，第Ⅳ組設(shè)計(jì)的M和m的數(shù)值，重復(fù)上述步驟(3)、(4)六次，并分別在紙帶上標(biāo)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(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn)，測量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，算出每條紙帶對應(yīng)的加速度值，填入表1.

5 說明

(1)為了完成本次實(shí)驗(yàn)，必須用大量程天平.

(2)實(shí)驗(yàn)前可以再多設(shè)計(jì)幾組質(zhì)量的取值，設(shè)計(jì)的取值間應(yīng)拉開差距，實(shí)現(xiàn)多次測量以減小偶然誤差.

(3)實(shí)驗(yàn)使用的長木板、細(xì)繩最好盡可能長些，這樣延長了打點(diǎn)的時(shí)間，能得到間距更大的計(jì)數(shù)點(diǎn)以減小長度測量的偶然誤差.

(4)查閱當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊臏?zhǔn)確值能減小誤差.