用DIS系統(tǒng)改進(jìn)牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)

向可 劉文昊 王子涵 舒文路

摘 要：牛頓第二定律闡述了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，是高中階段重要的實(shí)驗(yàn)之一。高中驗(yàn)證牛頓第二定律時(shí)，主要用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器估算小車的加速度，用懸掛重物的方式提供合外力。當(dāng)滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量時(shí)，把小車所受拉力大小近似認(rèn)為等于重物的重力。但實(shí)驗(yàn)時(shí)，很難做到小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量，這給實(shí)驗(yàn)帶來了較大誤差。筆者將教材上的實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，利用DIS系統(tǒng)的位移傳感器和力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量小車所受拉力和加速度的大小，有效地改進(jìn)了教材上實(shí)驗(yàn)的不足之處。

關(guān)鍵詞：DIS系統(tǒng)；加速運(yùn)動(dòng)；牛頓第二定律

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）12-0042-3

1 提出問題

我們?cè)趯W(xué)習(xí)人教版高中物理課本必修1第四章第二節(jié)《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》的過程中，把小車所受拉力的大小近似等于重物的重力。而我們知道只有滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量這個(gè)條件時(shí)，這兩個(gè)力才近似相等。如何解決這個(gè)近似的問題呢？本文引入DIS系統(tǒng)，對(duì)教材上的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，巧妙地設(shè)計(jì)出能實(shí)時(shí)測(cè)量小車所受拉力大小的實(shí)驗(yàn)裝置，有效解決了該實(shí)驗(yàn)方案的不足之處。

2 實(shí)驗(yàn)器材

中科達(dá)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、小車、軌道、鉤碼、位移傳感器、力傳感器、細(xì)線等。

3 實(shí)驗(yàn)裝置圖（如圖1所示）

4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）按圖1組裝好實(shí)驗(yàn)器材；

（2）平衡摩擦力，調(diào)節(jié)軌道定滑輪一端的高度，細(xì)線不掛重物，通過左右移動(dòng)小車，直至小車的s-t圖線為一條過原點(diǎn)的傾斜直線，如圖2所示；

（3）打開通用軟件，力傳感器通道、位移傳感器“調(diào)零”；

（4）將質(zhì)量為5 g的鉤碼掛在細(xì)線上，調(diào)節(jié)定滑輪的高度，讓小車上的定滑輪和軌道上的定滑輪處在同一高度，并把小車移至靠近位移傳感器接收端的位置；

（5）將采集頻率調(diào)至每0.1 s記錄一次數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“開始”，然后釋放小車；

（6）小車停止后，點(diǎn)擊“結(jié)束”；

（7）將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，如表1所示；

（8）改變鉤碼質(zhì)量，重復(fù)以上步驟（如表2～表4）。

5 數(shù)據(jù)處理

（1）依據(jù)表1～表4中的s-t數(shù)據(jù)，在Excel表格中作出小車的s-t圖線，如圖3～圖5所示；

（2）在Excel表格中作出的各幅圖線中添加二次項(xiàng)擬合曲線，并顯示擬合公式；

（3）由于小車在做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，故小車的加速度為二次項(xiàng)系數(shù)的2倍，即可求出各圖線所對(duì)應(yīng)的小車的加速度；

（4）依據(jù)表1～表4中的T-t數(shù)據(jù)，計(jì)算出小車運(yùn)動(dòng)過程中受到的平均拉力；

（上接第43頁）

（5）由于與力傳感器相連的細(xì)繩通過定滑輪對(duì)小車施加拉力，故小車受到的合力為拉力T的兩倍，具體計(jì)算數(shù)據(jù)如表5所示；

（6）以小車受到的合力F為橫坐標(biāo)，小車的加速度a為縱坐標(biāo)，作出a-F圖線，如圖7所示。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

線性擬合線經(jīng)過原點(diǎn)，可見在誤差允許的范圍內(nèi)，當(dāng)小車的質(zhì)量一定時(shí)，小車的加速度與合力成正比。

7 結(jié) 論

通過引入DIS系統(tǒng)對(duì)教材上牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案加以改進(jìn)，巧妙地設(shè)計(jì)出能實(shí)時(shí)測(cè)量小車所受拉力大小的實(shí)驗(yàn)裝置，直接測(cè)出細(xì)線中的拉力，可避免懸掛重物質(zhì)量與小車質(zhì)量之間關(guān)系的束縛，有效地改進(jìn)了過去實(shí)驗(yàn)方案的不足之處。

參考文獻(xiàn)：

[1]張一，莫皓云，黃昱章，等.用DIS探究液體表面張力的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2018，36（1）：56-59.

（欄目編輯 王柏廬）