“探究牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”.doc

關(guān)于“驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”的三個(gè)問(wèn)題 問(wèn)題1. 在“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)中，小車(chē)包括砝碼的質(zhì)量為什么要遠(yuǎn)大于砂和砂桶的總質(zhì)量。 分析：在做 關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，用砂和砂桶重力代替了小車(chē)所受的拉力F，如圖1所示：圖而砂和砂桶的重力與小車(chē)所受的拉力F是并不相等這是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的原因，為此，必須根據(jù)牛頓第二定律分析和F在產(chǎn)生加速度問(wèn)題上存在的差別實(shí)驗(yàn)時(shí)可得到加速度與力的關(guān)系的圖像，如圖2所示，由圖像經(jīng)過(guò)原點(diǎn)知，小車(chē)所受的摩擦力已被平衡設(shè)小車(chē)實(shí)際加速度為，由牛頓第二定律可得：圖 即若視 ，設(shè)這種情況下小車(chē)的加速度為 ，則 在本實(shí)驗(yàn)中，M保持不變，與成正比，而實(shí)際加速度與成非線性關(guān)系，且越大，圖像斜率越小。理想情況下，加速度與實(shí)際加速度差值為 上式可見(jiàn)，取不同值， 不同，越大，越大，當(dāng)時(shí)， ，這就是要求該實(shí)驗(yàn)必須滿足的原因所在由圖還可以可以看出，隨著的增大，加速度的實(shí)驗(yàn)值與理想值之間的差別越來(lái)越大.本實(shí)驗(yàn)是因原理不完善引起的誤差，實(shí)驗(yàn)用砂和砂桶的總重力代替小車(chē)的拉力，而實(shí)際小車(chē)所受的拉力要小于砂和砂桶的總重力，這個(gè)砂和砂桶的總質(zhì)量越接近小車(chē)和砝碼的總質(zhì)量，誤差越大，反之砂和砂桶的總質(zhì)量越小于小車(chē)和砝碼的總質(zhì)量，由此引起的誤差就越小即此誤差可因?yàn)?而減小，但不可能消去此誤差問(wèn)題2：在利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和小車(chē)做“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)前為什么要平衡摩擦力？應(yīng)當(dāng)如何平衡摩擦力？分析：牛頓第二定律表達(dá)式 中的F，是物體所受的合外力，在本實(shí)驗(yàn)中，如果不采用一定的辦法平衡小車(chē)及紙帶所受的摩擦力，小車(chē)所受的合外力就不只是細(xì)繩的拉力，而應(yīng)是細(xì)繩的拉力和系統(tǒng)所受的摩擦力的合力因此，在研究加速度a和外力F的關(guān)系時(shí)，若不計(jì)摩擦力，誤差較大，若計(jì)摩擦力，其大小的測(cè)量又很困難；在研究加速度a和質(zhì)量m的關(guān)系時(shí)，由于隨著小車(chē)上的砝碼增加，小車(chē)與木板間的摩擦力會(huì)增大，小車(chē)所受的合外力就會(huì)變化（此時(shí)長(zhǎng)板是水平放置的），不滿足合外力恒定的實(shí)驗(yàn)條件，因此實(shí)驗(yàn)前必須平衡摩擦力圖3應(yīng)如何平衡摩擦力？怎樣檢查平衡的效果？有人是這樣操作的；把如圖3所示裝置中的長(zhǎng)木板的右端墊高一些，使之形成一個(gè)斜面，然后把實(shí)驗(yàn)用小車(chē)放在長(zhǎng)木板上，輕推小車(chē)，給小車(chē)一個(gè)沿斜面向下的初速度，觀察小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況，看其是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)如果基本可看作勻速直線運(yùn)動(dòng)，就認(rèn)為平衡效果較好這樣操作有兩個(gè)問(wèn)題，一是在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始以后，阻礙小車(chē)運(yùn)動(dòng)的阻力不只是小車(chē)受到的摩擦力，還有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔對(duì)紙帶的摩擦力及打點(diǎn)時(shí)振針對(duì)紙帶的阻力在上面的做法中沒(méi)有考慮后兩個(gè)阻力，二是檢驗(yàn)平衡效果的方法不當(dāng)，靠眼睛的直接觀察判斷小車(chē)是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)是很不可靠的正確的做法是。將長(zhǎng)木板的末端（如圖中的右端）墊高一些，把小車(chē)放在斜面上，輕推小車(chē)，給小車(chē)一個(gè)沿斜面向下的初速度，觀察小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)用眼睛直接觀察可認(rèn)為小車(chē)做加速度很小的直線運(yùn)動(dòng)以后，保持長(zhǎng)木板和水平桌面的夾角不動(dòng)，并裝上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及紙帶，在小車(chē)后拖紙帶，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開(kāi)始打點(diǎn)的情況下，給小車(chē)一個(gè)沿斜面向下的初速度，使小車(chē)沿斜面向下運(yùn)動(dòng)取下紙帶后，如果在紙帶上打出的點(diǎn)子的間隔基本上均勻，就表明小車(chē)受到的阻力跟它的重力沿斜面的分力平衡打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作時(shí)，振針對(duì)紙帶的阻力是周期性變化的，所以，難以做到重力沿斜面方向的分力與阻力始終完全平衡，小車(chē)的運(yùn)動(dòng)也不是嚴(yán)格的勻速直線運(yùn)動(dòng)，紙帶上的點(diǎn)子間隔也不可能完全均勻，所以上面提到要求基本均勻在實(shí)驗(yàn)前對(duì)摩擦力進(jìn)行了平衡以后，實(shí)驗(yàn)中需在小車(chē)上增加或減少砝碼，因此為改變小車(chē)對(duì)木板的壓力，摩擦力會(huì)發(fā)生變化，有沒(méi)有必要重新平衡摩擦力？其實(shí)由此引起的摩擦力變化是極其微小的，從理論上講，在小車(chē)及其砝碼質(zhì)量變化時(shí)，由力的分解可知，重力沿斜面向下的分力和垂直斜面方向的分力 （大小等于對(duì)斜面的壓力），在斜面傾角不變的情況下是成比例增大或減小的，進(jìn)而重力沿斜面方向的分力和摩擦力成比例變化，仍能平衡但實(shí)際情況是，由于紙帶也受到阻力 ，另外小車(chē)的軸與輪的摩擦力也會(huì)略有變化，這些對(duì)實(shí)驗(yàn)的誤差都會(huì)有影響，不過(guò)由此產(chǎn)生的誤差很小可忽略不計(jì)IIIOF圖4問(wèn)題.-F圖線出現(xiàn)截距的原因和調(diào)整方法是什么？利用圖4所示裝置做“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)，甲同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出小車(chē)的加速度和小車(chē)所受拉力F的圖像為右圖中的直線I，乙同學(xué)畫(huà)出F圖像為右圖中的直線 II直線I、II在縱軸和橫軸上的截距較大，明顯超出了誤差范圍，出現(xiàn)截距的原因和調(diào)整方法是什么？ 分析：圖像I在縱軸上有較大的截距，說(shuō)明在繩對(duì)小車(chē)的拉力F0時(shí)（還沒(méi)有掛砂桶）時(shí)，小車(chē)就有了沿長(zhǎng)木板向下的加速度。設(shè)長(zhǎng)木板與水平桌面間的夾角為,小車(chē)所受的重力為,沿長(zhǎng)木板向下的分力應(yīng)為，長(zhǎng)木板對(duì)小車(chē)的摩擦阻力應(yīng)為，又設(shè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所受其他阻力為（可視為定值），則應(yīng)有，在此式中為定值，如果適當(dāng)減少值，可使減小而增大，實(shí)現(xiàn)0,圖像起點(diǎn)回到坐標(biāo)系原點(diǎn)。圖像II在橫軸上