“挑戰(zhàn)”牛頓

孫孟宇

在傳統(tǒng)的測定牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，需用到小車、木板、細(xì)線、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和砂筒。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1.使木板微微傾斜，將紙袋固定在小車后端，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在木板后端，讓紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，使小車重力沿斜木板方向的分力與摩擦力的方向相反，即當(dāng)給小車一個(gè)初速度時(shí)，小車可在木板上勻速下滑。

2.在小車前端系上細(xì)線，使細(xì)線繞過木板前端的滑輪，并在下面系上砂筒。

3.先固定小車質(zhì)量M不變，得出F合與a的關(guān)系。再固定外力F不變，改變小車質(zhì)量M，得出a與的關(guān)系。

該實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是得出外力F的大小，其推導(dǎo)過程如下。

以小車為研究對(duì)象 T=Ma ①

以砂筒為研究對(duì)象 mg-T=ma ②

（①+②）×M得 T= mg

由此可以得出，只有M>>m時(shí)，T=Mg，因此，小車質(zhì)量需遠(yuǎn)大于砂筒質(zhì)量成為限制該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)因素。而隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，砂筒質(zhì)量增加，即外力F的增加會(huì)使M>>m的條件不再成立，小車質(zhì)量和砂筒質(zhì)量也就越來越接近，出現(xiàn)T≠mg的情況，所畫的圖像就會(huì)向右彎曲，變得無限接近重力加速度g。

針對(duì)這種情況，我想出了幾個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法。

一、改變實(shí)驗(yàn)器材

將氣墊導(dǎo)軌替換成長木板，在氣墊導(dǎo)軌合適的位置上安置兩個(gè)光電門，在小車的側(cè)面安裝遮光片。在小車與砂筒之間的細(xì)繩上裝上拉力傳感器，需使其不影響小車的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖。

這時(shí)，由于氣墊導(dǎo)軌沒有摩擦力，保證了小車運(yùn)動(dòng)時(shí)水平方向無其他力的干擾。使用光電門不僅減少了紙袋與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦，也使得到的加速度數(shù)據(jù)更迅速、準(zhǔn)確，可提高實(shí)驗(yàn)的效率?！?br>