基于DIS實驗驗證牛頓第二定律

趙登峰

摘? ?要：驗證牛頓第二定律實驗是高中物理中非常重要的一個實驗，難度比較大。傳統(tǒng)實驗中有兩個難點：第一，很難判斷是否平衡摩擦力;第二，加速度大小計算繁瑣。借助信息技術手段，利用DISlab，可以相對容易解決這兩個難題。從而驗證牛頓第二定律，得出實驗結論，提高實驗教學有效性。

關鍵詞：DIS實驗;信息技術 ;牛頓第二定律

1? 實驗儀器及原理介紹

組裝實驗器材，實驗中用到數據采集器、分體式位移傳感器、多用力學軌道及附件、計算機，如圖1。

驗證牛頓第二定律實驗中，主要分兩個部分，第一部分，是平衡摩擦力，在本實驗中通過調節(jié)軌道傾斜程度使小車可以勻速下滑，通過使用DISlab，從v-t圖像求出加速度，可以判斷物體是否近似處于平衡轉態(tài)。實驗第二部分，就是利用控制變量法，驗證加速度a大小、質量m、合力F大小三者關系。通過使用DISlab，從v-t圖像中求出加速度大小，然后作a-F圖像、a-m圖像、a-1/m圖像來驗證三者關系。

2? 實驗過程

2.1? 平衡摩擦力

這一步非常重要，要保證小車受到拉力就是合力，就要求小車在沒有受到拉力的情況下可以在軌道上做勻速直線運動。傳統(tǒng)實驗，通過打點計時器打點的紙帶上點是否均勻來判斷，操作起來很難判斷。借助本實驗，可以非常方便快速求出物體運動穩(wěn)定后的加速度大小。當加速度非常小時，在誤差允許的范圍內，可以近似看成小車在做勻速直線運動。本次實驗，通過墊高軌道一端，來平衡摩擦力，得到v-t圖像，如圖2所示。選擇區(qū)域內，物體加速度大小0.022 m/s2，可近似看成小車在做勻速直線運動，即小車受到合力為零。

2.2? 保持小車質量m一定，驗證加速度a大小與合力F大小的關系

實驗第二部分，利用控制變量法，驗證加速度a大小、質量m、合力F大小三者之間關系。首先，用托盤天平秤出小車和上面分體式位移傳感器發(fā)射端的總質量m為0.140 kg，然后把小車放入軌道，用細繩一端系住小車，另一端通過軌道上定滑輪后掛一個塑料小桶，調節(jié)定滑輪使細繩與軌道平行。小桶質量可用托盤天平秤出，小桶里可以放小鉤碼。通過改變鉤碼個數，來改變拉力大小。本次實驗中，有4個質量均為5 g小鉤碼。本實驗中，與傳統(tǒng)實驗一樣，把細繩一端掛的塑料小桶加鉤碼的總重力大小近似看成小車受到拉力大小。

用托盤天平秤出塑料小桶質量m為5 g。通過改變細繩一端掛的塑料小桶內鉤碼個數，即每次增加一個，可以得到5組數據，每組數據選擇區(qū)域后，可以自動算出加速度a大小。如圖3所示。

再做a-F圖像，即點擊選項a-F圖像，可以得到圖4圖像。可以看出圖4是一條傾斜直線。在誤差允許范圍內，可得出，質量m一定時，加速度a大小與合力F大小成正比。

改變小車質量，用托盤天平秤出小車和上面分體式位移傳感器發(fā)射端的總質量m為0.190 kg，重復上面實驗。可得到實驗數據如圖5所示。

再做a-F圖像，即點擊選項a-F圖像，可以得到圖6圖像。可以看出圖6仍然是一條傾斜直線。在誤差允許范圍內，仍然可得出，小車質量m一定時，小車加速度a大小與小車受到合力F大小成正比。

由此可見，改變小車質量重復實驗仍然可以得到相同結論。

2.3? 保持合力F大小一定，驗證加速度a大小與小車質量m的關系

保持小車受到合力F大小為0.098 N，即小桶里鉤碼個數不變，改變小車質量，本實驗中，有4片質量均為50 g的金屬片，通過增加小車上金屬片數量來控制小車質量。具體本次實驗中，細繩一端小桶里放置一個5 g鉤碼，金屬片數量每次增加一片，可以做5組數據，每次實驗完成后，點選擇區(qū)域會自動算出加速度大小。如圖7所示。

再作a-m圖像，即點擊選項a-m圖像，可以得到如圖8所示圖像。這個圖像大致上可看出是反比例函數。為了進一步驗證，再點擊a-1/m圖像，得到如圖9所示圖像，圖9是一條傾斜直線，在誤差允許范圍內，可得出合力F大小一定時，小車的加速度a大小與質量m的倒數成正比，也就是小車的加速度a大小與質量m成反比。

改變小車受到合力大小為0.196 N，即小桶里鉤碼個數為3個，重復實驗過程，得到實驗數據如圖10所示。

再做a-m圖像，如圖11所示。這個圖像大致上可看出是反比例函數。

再點擊a-1/m圖像，如圖12所示。圖12是一條傾斜直

由此可見，改變小車受到合力F的大小，重復實驗，仍然可以得到小車的加速度a大小與質量m的倒數成正比，也就是小車加速度a大小與質量m成反比這一相同結論。

3? 小結

本實驗中相比傳統(tǒng)實驗，首先，方便判斷是否已近似平衡摩擦力。其次，方便計算小車加速度大小。最后，方便處理數據作圖。也就是利用信息技術與物理實驗的融合，提高物理課堂實驗教學效率。

該實驗裝置由于沒有用力傳感器將小車受到合力顯示出來，還是采用傳統(tǒng)方法，將細繩一段掛的塑料小桶及鉤碼總重力大小近似為小車受到拉力大小，有系統(tǒng)誤差。另外，每次加速度的計算，是通過選擇區(qū)域來確定，具體區(qū)域的選擇會有一些偶然誤差。今后如能通過力傳感器直接測出小車拉力大小，實驗中系統(tǒng)誤差就可以減小。