验证牛顿第二定律

第三章 牛顿运动定律
第3单元 实验：验证牛顿第二定律
一、实验目的
1．学会用控制变量法研究物理规律
2．测量物体的速度和加速度。
3． 掌握利用图像处理数据的方法
4．验证牛顿第二定律。
5．学会分析和校准实验中的系统误差。
二、实验器材
打点计数器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木版、小盘、、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平（带有一套砝码）、刻度尺。
气垫导轨，气源，通用电脑，游标卡尺，物理天平，钩码及托盘等。
三、实验原理
牛顿第二定律的表达式为 F＝ma
验证此定律可分两步
1．验证F一定时，a与m成反比
如图所示装置，保持小车质量M不变，改变钩码的质
量m，从而改变细线对小车的牵引力F(当m<2．验证m一定时，a与F成正比。
保持砝码的质量不变，在小车上加减钩码, 改变小车的质量M，测出小车的对应加速度a, 由多组a、M数据作出加速度和质量倒数的关系a-M-1图线, 验证加速度是否与质量成反比。
四、实验步骤:
1．用调整好的天平测出小车和小桶的质量M和m ，把数据记录下来。
2．按如图装置把实验器材安装好，只是不把挂钩码用的系在小车上，即不给小车加牵引力。
3．平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫块，反复移动垫块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的点是否均匀来判断）。
4．在小车上加放钩码，细线下挂适量的钩码 把钩码的质量m记录下来。把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂钩码 ,接通电源,放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,取下纸带,在纸带上写上编号.
5．保持小车的质量不变，改变钩码质量 ，按步骤4再做5次实验。
6．在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，表明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带对应的加速度的值。
7．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，即钩码重力 m g，根据实验结果在坐标平面上描出相应的点，作图线。若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象质量不变时其加速度与它所受作用力成正比。
8．保持钩码质量不变，在小车上加放钩码，重复上面的实验，并做好记录，求出相应的加速度,用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和车内钩码总质量的倒数 1/M,在坐标平面上根据实验结果描出相应的点并作图线，若图线为一条过原点的直线,就证明了研究对象所受作用力不变时其加速度与它的质量成反比。
五、实验内容
（一）回顾：
牛顿第二定律的内容？
1.定义：物体的加速度跟所受的合力成正比， 跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同。
2.公式：F=ma
（二）新课教学
将打点计时器安装在轨道上并连接好电源，将测出质量的小车放在轨道上，把固定在小车上，另一端穿过限位孔。使小车停靠在打点计时器一端， 在不带定滑轮的一端的下面垫一块小木块，反复移动小木块，使小车在长木板上的运动可视为匀速运动。打出一条纸带，从纸带上打出的点来分析各个点之间的距离是否相等，判断是否已经平衡好摩擦力。把细绳系在小车上，并绕过定滑轮悬挂一个小钩码。先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，取下纸带，在纸带上标出编号。保持小车的质量不变，改变钩码个数按上面的做法再做几次实验
六、数据处理
1、把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中：
实验次数 加速度a/( m/s2) 小车受力F/N
1
2
3
4
由以上数据画出它的a-F关系图像。通过a-F关系图像，我们可以得出小车的加速度a与力F成正比。
2、把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中
实验次数 加速度a/( m/s2) 小车质量 M/kg
1
2
3
4
由以上数据画出它的a-1/M图像，a- 1/M图像，我们可以得出小车的加速度a与 质量M成反比。
七、例题：某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，图（a）为实验装置简图。（交流电的频率为50Hz）
（1）图(b)为某次实验得到的纸带,根据纸带可求出小车的加速度大小为 m/s2。(保留二位有效数字)
（2）保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F的变化图线如图（c）所示。该图线不通过原点，其主要原因是 。
m
M
纸带
打点计时器
M
T
T
a
m
斜面
o
a
F
1/M
o
a
电火花计时器
小车
纸带
重物
电源插头
图（a）
0
图c
a
F
单位：（cm）
6.19
6.70
7.21
7.72
v
图（b）