基于DIS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證牛頓第二定律

趙登峰

摘? ?要：驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)是高中物理中非常重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，難度比較大。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)難點(diǎn)：第一，很難判斷是否平衡摩擦力;第二，加速度大小計(jì)算繁瑣。借助信息技術(shù)手段，利用DISlab，可以相對(duì)容易解決這兩個(gè)難題。從而驗(yàn)證牛頓第二定律，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn);信息技術(shù) ;牛頓第二定律

1? 實(shí)驗(yàn)儀器及原理介紹

組裝實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)中用到數(shù)據(jù)采集器、分體式位移傳感器、多用力學(xué)軌道及附件、計(jì)算機(jī)，如圖1。

驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中，主要分兩個(gè)部分，第一部分，是平衡摩擦力，在本實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)軌道傾斜程度使小車可以勻速下滑，通過(guò)使用DISlab，從v-t圖像求出加速度，可以判斷物體是否近似處于平衡轉(zhuǎn)態(tài)。實(shí)驗(yàn)第二部分，就是利用控制變量法，驗(yàn)證加速度a大小、質(zhì)量m、合力F大小三者關(guān)系。通過(guò)使用DISlab，從v-t圖像中求出加速度大小，然后作a-F圖像、a-m圖像、a-1/m圖像來(lái)驗(yàn)證三者關(guān)系。

2? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1? 平衡摩擦力

這一步非常重要，要保證小車受到拉力就是合力，就要求小車在沒(méi)有受到拉力的情況下可以在軌道上做勻速直線運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的紙帶上點(diǎn)是否均勻來(lái)判斷，操作起來(lái)很難判斷。借助本實(shí)驗(yàn)，可以非常方便快速求出物體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后的加速度大小。當(dāng)加速度非常小時(shí)，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以近似看成小車在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。本次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)墊高軌道一端，來(lái)平衡摩擦力，得到v-t圖像，如圖2所示。選擇區(qū)域內(nèi)，物體加速度大小0.022 m/s2，可近似看成小車在做勻速直線運(yùn)動(dòng)，即小車受到合力為零。

2.2? 保持小車質(zhì)量m一定，驗(yàn)證加速度a大小與合力F大小的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)第二部分，利用控制變量法，驗(yàn)證加速度a大小、質(zhì)量m、合力F大小三者之間關(guān)系。首先，用托盤天平秤出小車和上面分體式位移傳感器發(fā)射端的總質(zhì)量m為0.140 kg，然后把小車放入軌道，用細(xì)繩一端系住小車，另一端通過(guò)軌道上定滑輪后掛一個(gè)塑料小桶，調(diào)節(jié)定滑輪使細(xì)繩與軌道平行。小桶質(zhì)量可用托盤天平秤出，小桶里可以放小鉤碼。通過(guò)改變鉤碼個(gè)數(shù)，來(lái)改變拉力大小。本次實(shí)驗(yàn)中，有4個(gè)質(zhì)量均為5 g小鉤碼。本實(shí)驗(yàn)中，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣，把細(xì)繩一端掛的塑料小桶加鉤碼的總重力大小近似看成小車受到拉力大小。

用托盤天平秤出塑料小桶質(zhì)量m為5 g。通過(guò)改變細(xì)繩一端掛的塑料小桶內(nèi)鉤碼個(gè)數(shù)，即每次增加一個(gè)，可以得到5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)選擇區(qū)域后，可以自動(dòng)算出加速度a大小。如圖3所示。

再做a-F圖像，即點(diǎn)擊選項(xiàng)a-F圖像，可以得到圖4圖像?？梢钥闯鰣D4是一條傾斜直線。在誤差允許范圍內(nèi)，可得出，質(zhì)量m一定時(shí)，加速度a大小與合力F大小成正比。

改變小車質(zhì)量，用托盤天平秤出小車和上面分體式位移傳感器發(fā)射端的總質(zhì)量m為0.190 kg，重復(fù)上面實(shí)驗(yàn)。可得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

再做a-F圖像，即點(diǎn)擊選項(xiàng)a-F圖像，可以得到圖6圖像?？梢钥闯鰣D6仍然是一條傾斜直線。在誤差允許范圍內(nèi)，仍然可得出，小車質(zhì)量m一定時(shí)，小車加速度a大小與小車受到合力F大小成正比。

由此可見(jiàn)，改變小車質(zhì)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)仍然可以得到相同結(jié)論。

2.3? 保持合力F大小一定，驗(yàn)證加速度a大小與小車質(zhì)量m的關(guān)系

保持小車受到合力F大小為0.098 N，即小桶里鉤碼個(gè)數(shù)不變，改變小車質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)中，有4片質(zhì)量均為50 g的金屬片，通過(guò)增加小車上金屬片數(shù)量來(lái)控制小車質(zhì)量。具體本次實(shí)驗(yàn)中，細(xì)繩一端小桶里放置一個(gè)5 g鉤碼，金屬片數(shù)量每次增加一片，可以做5組數(shù)據(jù)，每次實(shí)驗(yàn)完成后，點(diǎn)選擇區(qū)域會(huì)自動(dòng)算出加速度大小。如圖7所示。

再作a-m圖像，即點(diǎn)擊選項(xiàng)a-m圖像，可以得到如圖8所示圖像。這個(gè)圖像大致上可看出是反比例函數(shù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，再點(diǎn)擊a-1/m圖像，得到如圖9所示圖像，圖9是一條傾斜直線，在誤差允許范圍內(nèi)，可得出合力F大小一定時(shí)，小車的加速度a大小與質(zhì)量m的倒數(shù)成正比，也就是小車的加速度a大小與質(zhì)量m成反比。

改變小車受到合力大小為0.196 N，即小桶里鉤碼個(gè)數(shù)為3個(gè)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示。

再做a-m圖像，如圖11所示。這個(gè)圖像大致上可看出是反比例函數(shù)。

再點(diǎn)擊a-1/m圖像，如圖12所示。圖12是一條傾斜直

由此可見(jiàn)，改變小車受到合力F的大小，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，仍然可以得到小車的加速度a大小與質(zhì)量m的倒數(shù)成正比，也就是小車加速度a大小與質(zhì)量m成反比這一相同結(jié)論。

3? 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)中相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，首先，方便判斷是否已近似平衡摩擦力。其次，方便計(jì)算小車加速度大小。最后，方便處理數(shù)據(jù)作圖。也就是利用信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的融合，提高物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

該實(shí)驗(yàn)裝置由于沒(méi)有用力傳感器將小車受到合力顯示出來(lái)，還是采用傳統(tǒng)方法，將細(xì)繩一段掛的塑料小桶及鉤碼總重力大小近似為小車受到拉力大小，有系統(tǒng)誤差。另外，每次加速度的計(jì)算，是通過(guò)選擇區(qū)域來(lái)確定，具體區(qū)域的選擇會(huì)有一些偶然誤差。今后如能通過(guò)力傳感器直接測(cè)出小車?yán)Υ笮?，?shí)驗(yàn)中系統(tǒng)誤差就可以減小。