牛頓第二定律實驗的誤差分析和改進方案

牛頓第二定律實驗的誤差分析和改進方案摘要：牛頓第二定律實驗是高中物理的力學實驗之一，隨著科技的進步，對牛頓第二定律實驗的做法較多，傳統(tǒng)實驗由于器材條件及實驗本身等方面的原因，做好該實驗并不容易。本文就傳統(tǒng)牛頓第二定律的實驗進行誤差分析和討論，同時列出了幾種改進方案，并對各實驗設(shè)計的特點、誤差等方面作了一些分析、比較和討論。

關(guān)鍵詞：誤差分析質(zhì)量加速度力改進

一、實驗的誤差來源

2.系統(tǒng)中的摩擦力引起的誤差

小車拖著紙帶運動受到的摩擦力實際有兩部分：（1）木板對小車的摩擦；（2）限位孔對小車的摩擦。

當摩擦力平衡時有Mgsinθ=μMgcosθ+F（F指限位孔對小車的摩擦），當研究加速度與力的關(guān)系時，物塊的質(zhì)量不變，Mgsinθ=μMgcosθ+F關(guān)系式始終成立，當研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時，M發(fā)生變化，F(xiàn)保持不變，Mgsinθ=μMgcosθ+F不再成立。

二、實驗改進

1.改進方案一

（1）在傳統(tǒng)的試驗中，木板對滑塊有摩擦力，在平衡摩擦力時，由于物體是否做勻速直線運動不易判斷，誤差較大?？蓳Q用氣墊導(dǎo)軌，從小孔出來的氣體比較均勻，滑塊受力均衡，在調(diào)平衡時只要滑塊在導(dǎo)軌上的任意位置處于靜止狀態(tài)即可，避免了傳統(tǒng)實驗平衡摩擦力帶來的誤差。

（2）由前面我們知道，傳統(tǒng)實驗處理時是把繩子拉力約等于懸掛物的重力來處理，而實際上繩子的拉力要小于懸掛物的重力，我們前面已經(jīng)證明過。這是引起實驗誤差的一個重要原因，特別是當小車的質(zhì)量不是遠大于懸掛物的質(zhì)量時，誤差更加明顯；而且，對學生以后的連接體問題的學習會造成很大影響，因為學生從這個實驗中看到，用懸掛物的重力代替繩子拉力，以后他們碰到這樣的連接體問題時，總會認為繩子的拉力就等于所掛物的重力。因此，要克服以上缺點，最好是直接把繩子對小車的拉力測出來。

要測力，可以把力傳感器和滑塊相連，這樣傳感器的讀數(shù)就等于小車受到的拉力，如圖4，即Ｆ=Ma。

2.改進方案二

我們可采用氣墊導(dǎo)軌的傾斜下滑法來驗證牛頓第二定律。如圖5所示，將調(diào)平后的導(dǎo)軌一端底腳螺絲下墊上一塊厚度為h的墊塊，此時導(dǎo)軌與水平地面的夾角為θ，滑塊在傾斜的導(dǎo)軌上受到一個外力F=Mgsinθ。由幾何關(guān)系sinθ=，L為導(dǎo)軌兩端底腳螺絲的距離。在這個外力的作用下，滑塊將獲得一個沿斜面向下的加速度a。根據(jù)牛頓第二定律，其動力學方程為mg=ma。光電門安裝在導(dǎo)軌的一側(cè)，和電腦計數(shù)計時儀相連。電腦計數(shù)計時儀可以測出滑塊上寬為d的擋光片通過光電門所需的時間，其中的計算電路可計算出滑塊通過光電門時的速度和滑塊在導(dǎo)軌上運動的加速度，時間、速度、加速度都可由顯示屏讀出。

總之，本改進實驗解決了學生的困擾，認識到了傳統(tǒng)實驗的弊端，在他們學習連接體問題時有很大幫助。雖然該改進實驗還是存在很大誤差，但總體來說還是有它積極的意義。

參考文獻

[1]束炳如何潤偉普通高中課程標準實驗教科書物理（必修1）.上海科技教育出版社，2007年3月，第二版。

[2]薛金星中學教材全解（配套上海