物理实验：验证牛顿第二定律

王聆语

【摘 要】牛顿第二定律是质点动力学的基本方程，给出了力、质量、加速度三个物理之间的定量关系，是经典力学的重要理论之一。理论学习相对抽象，学生不易理解，为了印证这个定律的科学性，结合气垫导轨设计实验，运用控制变量法进行实验，同学们亲手操作实验步骤，得到了实验数据，用坐标法处理实验数据，结合图象得到实验结論，可以使同学们对这部分知识点的认识更加深刻，记忆更加牢固。

【关键词】牛顿第二定律;气垫导轨

【新课引入】

教师向学生们提出问题“大家认为8名小学生可以拉动130吨的磁悬浮列车吗？”，通过问题引导，激发学员学习的兴趣，引导学生观看《加油向未来》的视频片段，直观看到8名小学生可以拉动130吨磁悬浮列车的真实情况，分析合外力与加速度的关系，引出课题“验证牛顿第二定律”。

【实验目的】

1、理解实验原理及控制变量法。

2、熟悉实验仪器、进行实验操作。

3、用坐标法处理实验数据。

【实验仪器】

气垫导轨、光电门、滑块、重物、细绳、数字毫秒计、天平

【实验原理】

牛顿第二定律：物体受到外力作用时，它所获得的加速度a的大小与合外力F的大小成正比，与物体的质量M成反比;加速度a的方向与合外力F的方向相同。表达式：F=Ma，F为系统所受合外力，M为系统的总质量，a为系统的加速度。

【实验方法】

由牛顿第二定律的表达式得知，想要研究两个物理量的关系，就需要保持一个物理量不变，因此本节课运用控制变量法研究两部分内容，实验一：总质量一定时，验证加速度与合外力成正比;实验二：合外力一定时，验证加速度与质量成反比。

【实验装置图】

如图1所示，本实验将在气垫导轨上进行，气垫导轨是一种较为理想的力学实验设备。它利用从导轨表面喷出的压缩空气，在导轨与滑行器之间形成空气薄膜，浮起滑块，使滑块悬浮在导轨表面，从而大大减少了物体运动时的摩擦阻力，为测量创造了比较理想的实验条件。

把滑块放在水平导轨上，滑块和重物由细绳相连挂在滑轮上，由重物、滑块、细绳和滑轮组成的这一系统，其系统所受到的合外力大小等于重物的重力减去阻力，在本实验中阻力可忽略，因此重物的重力就等于作用在系统上合外力的大小。系统的质量M就等于重物的质量、滑块的质量和滑轮的折合质量的总和.

在导轨上相距S的两处放置两光电门，当滑块在重物的作用下开始滑动，滑块上的遮光片依次通过光电门时，即可在数字毫秒计上得到滑块通过两光电门和速度v1和v2，以及系统的加速度a。

如图2，遮光片这四条边依次经过光电门，光电门会记录第一条边到第三条边的时间t，而我们能测得这两条边的距离△d，由于△d较窄，所以在范围内，滑块的速度变化比较小，故可把平均速度△d/t，看成是滑块上遮光片经过光电门的瞬时速度。这个计算过程是通过数字毫秒计实现的，数字毫秒计还可以计算加速度，所以我们要把光电门和数字毫秒计相连，功能选择在加速度的档位，我们可以直接在数字毫秒计上读出加速度的大小。

【实验内容与步骤】

首先是调，在正确连接实验装置后，调节气垫导轨为水平状态。打开气源，将滑块放在导轨中间位置，如果向着一个方向移动，说明没调平，旋转调节按钮，直至滑块在导轨上不动，或左右移动距离相等，则达到平衡状态。

实验一：验证M一定时，a与F成正比

1、打开数字毫秒计，选择“加速度”档，将细绳的一端接在滑块上，另一端绕过滑轮后悬挂重物，先把所有砝码都放在滑块上，并将滑块置于第一个光电门外侧，使遮光片距离第一个光电门约20cm处，打开气源后松开滑块，当滑块通过第二个光电门后，然后按数字毫秒计面板的转换键，分别记录v1、v2和加速度a，为消除随机误差，重复测量3次，取平均数。将实验数据记录于表-1中。

2、用天平称出此时重物的质量m和滑块的质量M。

3、只改变合外力的大小，保证总质量不变，逐次从滑块上取下砝码加到重物上，重复1、2的测量。

4、从表-1中取5组数据，用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的正比关系

实验二：验证F一定时，a与M成反比

1、打开数字毫秒计，选择“加速度”档，将细绳的一端接在滑块上，另一端绕过滑轮后悬挂重物，将滑块置于第一个光电门外侧，使遮光片距离第一个光电门约20cm处，打开气源后松开滑块，当滑块通过第二个光电门后，然后按数字毫秒计面板的转换键，分别记录v1、v2和加速度a。将实验数据记录于表-2中。

2、用天平称出此时重物的质量m和滑块的质量M。

3、逐次改变滑块的质量（通过改变配重），重复1、2的测量

4、从表-2中取5组数据，用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系

【实验数据记录与处理】

重物质量m重物=  g  M=m重物+m滑块

作图F-a，分析其斜率的物理意义，看F与a之间是否存在线性关系

作图a-1/M，分析斜率含义，看其图像是否为一直线

作完以上两个图后，通过求斜率分别计算总质量和合外力的实验值，与实际值（理论值）比较，分别计算相对百分误差

B=|        l×100%和B=□        l×100%

【实验结论】

根据所画的图表分析其物理含义，在一定误差允许范围内便可验证牛顿第二定律

【注意事项】

1、先检查绳子是否有打结的地方，滑轮是否有腐锈的。

2、应先通气再放滑块，不允许未通气时强行在导轨上推动滑块;实验完毕后要先取下滑块再关闭气源。

3、要注意绳子的长度，如果绳子过长，将导致重物很快落地，不再对滑块提供拉力，滑块将减速，靠着惯性通过第二个光电门，这样测出的加速度是不准确的，所以绳子长度要选取适中。

4、要先测量遮光片的宽度，在数字毫秒计背面设置好遮光片宽度。

5、确认遮光片是否可以扫过光电门的，如果是弯曲的，说明实际遮光片的宽度不是数字毫秒计上设置的大小，直接影响加速度的测量结果。

6、使用天平时要先游码归零，然后调节平衡螺母，是指针在标尺中央，或指针左右摆动幅度相同时，则达到平衡状态。

7、称量滑块质量时，滑块上的细绳不要解下，其质量一并算在滑块的质量内。