牛頓第二定律的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)名稱：牛頓第二定律的驗(yàn)證教學(xué)目的：熟練并掌握打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用，掌握利用圖像來處理數(shù)據(jù)的方法，掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和步驟，了解系統(tǒng)誤差的來源和減小誤差的辦法，會用圖像處理結(jié)果。教學(xué)要求：掌握驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)的基本方法、實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果分析；熟練掌握電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的原理、結(jié)構(gòu)、使用方法和檢驗(yàn)、調(diào)整的方法；能分析實(shí)驗(yàn)誤差來源并試圖解決之，了解何處是實(shí)驗(yàn)易出錯(cuò)的地方，并討論分析為什么存在此實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)。教學(xué)意義：“牛頓第二定律驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)課起到了承上啟下的作用，承上，使學(xué)生加深了對牛頓第一定律的理解；啟下，通過實(shí)例定量地驗(yàn)證了牛頓第二定律，加速度與質(zhì)量、外力的關(guān)系直接作用于今后的力學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容中，對牛頓第二定律的印證會起到基礎(chǔ)性的作用。實(shí)驗(yàn)儀器：J0203電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫紙、細(xì)線、小車、鐵片、鋁塊、勾碼、導(dǎo)軌、托盤天平、交流電源、導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)原理：1.保持物體的質(zhì)量不變，測量物體在不同的外力的作用下的加速度，比較其與理論值之間的百分誤差，并最終驗(yàn)證牛頓第二定律。2.保持物體所受外力不變，測量物體在不同質(zhì)量的情況下的加速度，比較其與理論值之間的百分誤差，并最終驗(yàn)證牛頓第二定律。作出加速度a與質(zhì)量的倒數(shù)1／M的關(guān)系圖像。

實(shí)驗(yàn)步驟：利用天平測出小車和砝碼的總質(zhì)量，記于表中。2、按照圖1-1將實(shí)驗(yàn)器材安裝好，細(xì)繩一端不接砝碼，即不給小車加牽引力。3、平衡摩擦力：調(diào)節(jié)導(dǎo)軌在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一側(cè)的高度，使得小車在斜面上運(yùn)動時(shí)可以保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。4、細(xì)繩一端系上一個(gè)砝碼。先通電源再放小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn)，打完后切斷電源，取下紙帶，并標(biāo)號記號。5、增加砝碼質(zhì)量，保持小車和砝碼質(zhì)量不變，改變鉤吊的砝碼質(zhì)量，使得其質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和砝碼的總質(zhì)量，記錄鉤吊的砝碼質(zhì)量m，重復(fù)步驟4.6、重復(fù)步驟5三次得到四條紙帶。7、在每條紙帶上選取一段較為理想的部分，標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn)，測量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，算出每條紙帶上的加速度的值。8、用縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示作用力F（F=m‵g），根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)系中標(biāo)出相應(yīng)的點(diǎn)，如果這些點(diǎn)是在一條過原點(diǎn)的直線上，表說明了加速度和作用力成正比。9、保持重物質(zhì)量不變，在小車上加砝碼，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示小車和砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在縱坐標(biāo)平面上畫出相應(yīng)的點(diǎn)。如果這些點(diǎn)是在一條直線上，就證明了加速度與質(zhì)量成反比。數(shù)據(jù)處理：結(jié)果分析：1、保持物體（運(yùn)動小車）質(zhì)量不變的情況下，測量加速度與提供外力的關(guān)系時(shí)，因沒有調(diào)平衡，因此在外力小，加速度小的情況下，摩擦力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響相對較大，當(dāng)改變外力到一定程度（較大）時(shí)，加速度較大，此時(shí)同等大小的摩擦力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響已被削弱，此情況下在誤差允許范圍（＜5.0%）時(shí)，可驗(yàn)證牛頓第二定律成立。2、在保持外力不變的情況下，測量加速度與物體（運(yùn)動小車）質(zhì)量之間的關(guān)系時(shí)，由于我們盡量做到物體質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于提供外力的物體質(zhì)量，所以所測量的加速度值比較接近理論值，從而保證了小誤差范圍內(nèi)對牛頓第二定律的驗(yàn)證。3、在保持外力不變的情況下，測量加速度與物體（運(yùn)動小車）質(zhì)量之間的關(guān)系時(shí)，由于我們盡量做到物體質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于提供外力的物體質(zhì)量，所以所測量的加速度值比較接近理論值，從而保證了小誤差范圍內(nèi)對牛頓第二定律的驗(yàn)證。4、綜上所述，較好的實(shí)驗(yàn)條件是：①消除摩擦力的情況下，提供的外力要小，即提供外力的物體質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于運(yùn)動物體（小車）的質(zhì)量；②若未消除摩擦力，則一方面要將外力加大，盡量使其遠(yuǎn)大于運(yùn)動物體所受的摩擦力，然且需滿足此時(shí)的提供外力的物鉤碼質(zhì)量要盡量遠(yuǎn)小于運(yùn)動物體的質(zhì)量。③實(shí)驗(yàn)中可將斜面適當(dāng)傾斜，利用小車自身重力的分力來平衡小車所受摩擦力，使得小車水平方向所受合外力近似為0。實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用有哪些：1、實(shí)驗(yàn)用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用以記錄物體運(yùn)動的軌跡，并附著速度的內(nèi)容在紙帶的點(diǎn)上，通過使用該儀器，我們就一定量的分析一個(gè)物體運(yùn)動的加速度及某點(diǎn)的瞬時(shí)速度。2、實(shí)驗(yàn)所用的控制變量法將在今后做電阻電容等很多實(shí)驗(yàn)中普遍