运用PASCO数字化传感器验证牛顿第二定律

刘茂军 王思琦 王乐欣 宋晓丹

吉林师范大学物理学院(136000)

1 实验装置改进

牛顿第二运动定律是高中物理“牛顿运动定律”一章的重要内容，研究的是物体加速度与合外力、质量的关系。在高中物理教材中，可直接测量时间，然后通过公式计算实现加速度测量。也可在运动物体上安装一条打点计时器的纸带，根据纸带上打出的点来测量加速度。然而传统实验测量数据不够精确。我们用PASCO数字化传感器改进实验，智能滑轮记录系统速度-时间图象，运用传感器系统中的“智能工具”功能可直接读出加速度的数值大小。再根据物体质量，求出加速度的理论值，从而验证牛顿第二定律。

与人教版教材中的实验相比，利用PASCO数字化传感器设计后的改进实验有以下优点：

(1)实验中用智能滑轮连接两个重物，滑轮很轻(相对于重物可以忽略)，加速运动过程中摩擦阻力很小，实验数据更为精确。

(2)实验中“速度—时间”图象清晰，利用传感器的“智能工具”功能可以准确读出加速度的大小，便于观察、对比和理论计算。

2 实验装置及原理

实验装置和实验原理分别如图1和图2所示。

系统由砝码、智能滑轮组成。砝码M1和M2的质量已知，两者所受重力大小的差作为系统(智能滑轮质量很轻，可忽略不计)的合外力来源，智能滑轮可以测量出系统加速度的大小，从而验证合外力和物体加速度的关系。

3 实验过程与实验图象示例

3.1 实验过程

(1)按实验原理图组装实验。

(2)改变砝码质量，测量不同情况下的加速度大小：①保持M1与M2系统总质量不变(即M1与M2之和保持不变)，M1与M2大小改变，重复实验；②保持M1与M2系统总质量改变，合外力大小不变(即M1与M2之差保持不变)，重复实验。

3.2 实验图象示例

从图3和图4中可以看出速度、时间及斜率，斜率即加速度。

4 数据处理

实验数据处理如表1和表2所示。

表1 砝码质量的和M1+M2=210 g的实验数据

表2 砝码质量的差M1-M2=140 g的实验数据

5 结果讨论

通过实验定量研究发现，当系统总质量不变时，加速度与拉力成正比；当系统合外力不变时，加速度与质量成反比，从而较为精确地验证了牛顿第二定律。