验证牛顿第二定律的实验方法以及原理说明教育材料
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1、验证牛顿第二定律的实验方法以及原理说明1、实验方法采用控制变量法,即当研究的某个物理量与两个以上的其他物理量的变化有关时,分别研究该物理量与其中一个物理量之间的变化关系,而设法控制其他物理量不发生变化的一种方法。本实验中,小车加速度a的大小、方向由外力F、小车质量M共同确定。研究加速度a与F及M的关系时:(1)控制小车的质量M不变,讨论a与F的关系。(2)再控制砂和砂桶的质量不变即F不变,改变小车的质量M,讨论a与M的关系。(3)综合起来,得出a与F、M之间的定量关系。2、实验思想方法(等效法)小车在长木板上运动时由于要受到摩擦阻力作用,且在改变小车质量时摩擦阻力随之改变,这将给实验带来很多麻
2、烦。例如,要测知动摩擦因数,计算每改变小车质量后的摩擦阻力,或每改变小车质量后都用“牵引法”调试平衡。本实验中,巧妙地采用了平衡摩擦阻力的方法:将长木板一端垫起,让小车重力沿斜面的分力把摩擦阻力平衡掉,即等效于小车不受擦擦阻力作用,绳对小车的拉力即为车所受的合外力。同时小车质量改变后无需重新调试,从而简化了实验程序及计算过程。3、实验的必要条件(1)小车质量M远大于砂及桶的总质量m,从而近似认为对小车的拉力T等于砂及桶的重力mg。注意:严格地说,细绳对小车的拉力T并不等于砂和砂桶的重力mg,而是 。推导如下:对砂桶、小车整个系统有: 对小车: 由得: 由于 因此 。若允许实验误差在5之内,则由
3、 由此,在实验中控制 (一般说: )时,则可认为 ,由此造成的系统误差小于5。4、数据处理(图像法)在画 和 图像时,多取点、均分布,达到一种统计平均以减小误差的目的。同时注意不分析 图像,因为两者成不成反比关系不易直接观察。5、实验的进一步改进本实验以小车为研究对象,以砂桶重力替代牵引力,产生了系统误差。要消除这种误差,可以以小车与砂桶组成的系统为研究对象。则该系统质量 ,系统所受拉力 。验证a与F关系时,要保证 恒定,可最初在小车上放几个小砝码,逐一把小砝码移至砂桶中,以改变每次的外力;验证a与总质量的关系时,要保证砂、桶重力不变,可在小车上逐一加放小砝码,以改变每次总质量。其他方法步骤同原来一样。2随堂c
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