牛顿第二定律验证实验论文
摘要：牛顿第二定律是质点动力学的基本方程，给出了力、质量、加速度三个物理之间的定量关系，是经典力学的重要理论之一。气垫导轨是一种较为理想的力学实验设备。它利用从导轨表面喷出的压缩空气，在导轨与滑行器之间形成空气薄膜，浮起滑块，使滑块悬浮在导轨表面，从而大大减少了物体运动时的摩擦阻力，为力学测量创造了比较理想的实验条件。故此多用于牛顿运动定律、谐振动的研究等。
关键字： 牛顿第二定律 气垫导轨
实验目的
1． 熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。
2． 熟悉光电计时系统的工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。
3． 验证牛顿第二定律。
4． 学会测量物体的速度和加速度。
实验仪器
气垫导轨，气源，通用电脑计数器，游标卡尺，物理天平、砝码及托盘等。
实验原理
F=Ma
牛顿第二定律：物体受到外力作用时，它所获得的加速度a的大小与合外力F的大小成正比，与物体的质量M成反比；加速度a的方向与合外力F的方向相同。
F为系统所受合外力，M为系统的总质量，a为系统的加速度。公式表明:当系统总质量不变时，物体运动的加速度与其所受的合外力成正比；当物体所受合外力不变时，则物体的加速度与系统的总质量成反比。
本实验将在气垫导轨上进行，由于系统质量M远大于滑块与导轨之间的黏性阻力和滑轮的摩擦阻力，故此忽略滑块与导轨之间的黏性阻力及滑轮的摩擦阻力等。
把滑块放在水平导轨上。滑块和砝码相连挂在滑轮上，由砝码盘、滑块、砝码和滑轮组成的这一系统，其系统所受到的合外力大小等于砝码（包括砝码盘）的重力减去阻力，在本实验中阻力可忽略，因此砝码的重力就等于作用在系统上合外力的大小。系统的质量M就等于砝码的质量、滑块的质量和滑轮的折合质量的总和.
在导轨上相距S的两处放置两光电门k1和k2，测出此系统在砝码重力作用下滑块通过两光电门和速度v1和v2，则系统的加速度a等于
在滑块上放置双挡光片，同时利用计时器测出经两光电门的时间间隔，则系统的加速度为
其中
为遮光片两个挡光沿的宽度如图1所示，实验装置如图2所示。在此测量中实际上测定的是滑块上遮光片（宽
）经过某一段时间的
平均速度，但由于较窄，所以在范围内，滑块的速度变化比较小，故可把平均速度看成是滑块上遮光片经过两光电门的瞬时速度。同样，如果
越小（相应的遮光片宽度
也越窄），则平均速度越能准确地反映滑块在该时刻运动的瞬时速度。
实验内容与步骤
实验之前，将气垫导轨调成水平，并使数字毫秒计处于正常工作状态。
1. 验证M一定时，a与F成正比
（1）打开数字毫秒计时器，选择“加速度”档，将细尼龙线的一端接在滑块上，另一端绕过滑轮后悬挂一砝码盘，先把所有砝码都放在滑块上，并将滑块置于第一个光电门外侧，使挡光片距离第一个光电门约20cm处，松开滑块，并记录滑块通过两个光电门的时间,以及滑块从第一个光电门到第二个光电门的时间△t，然后按数字毫秒计时器面板的转换键，分别记录 v1、v2 和加速度a。将实验数据记录于表-1中。
（2）逐次从滑块上取下砝码加到砝码盘上，重复上述的测量。
（3）从表-1中取5组数据，用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的正比关系
2. 验证F一定时，a与M成反比
（1）打开数字毫秒计时器，选择“加速度”档，将细尼龙线的一端接在滑块上，另一端绕过滑轮后悬挂到一个装有一定量砝码的砝码盘上，将滑块置于第一个光电门外侧，使挡光片距离第一个光电门约20cm处，松开滑块，并记录滑块通过两个光电门的时间,以及滑块从第一个光电门到第二个光电门的时间△t，然后按数字毫秒计时器面板的转换键，分别记录v1、v2 和加速度a。将实验数据记录于表-2中。
（2）逐次改变滑块的质量(通过改变配重)，重复上述的测量
（3）从表-2中取5组数据，用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系
实验数据记录与处理
挡光片的挡光距离= cm 滑块的质量m= g M=m砝码+m滑块
表-1 系统总质量不变时的实验数据
作图F-a 分析其斜率的物理意义,看F与a之间是否存在线性关系
表-2 合外力不变时的实验数据
作图a-1/M 分析斜率含义，看其图像是否为一直线
作完以上两个图后，通过求斜率分别计算总质量和合外力的实验值，与实际值（理论值）比较，分别计算相对百分误差B=｜
l×100%和B=?
l×100%
注意事项
（1）实验中严禁导轨受碰撞、重压，以免造成变形与损伤
（2）应先通气再放滑块，不允许未通气时强行在导轨上推动滑块；实验完毕后要先取下滑块再关闭气源
（3）实验时滑块速度不应太大，挡光片不要碰到光电门
（4）实验中要保证细线在滑轮上，细线长度要适宜，太长则砝码盘可能在滑块通过第二个光电门之前就落地
（5）称量滑块质量时，滑块上的细尼龙绳不要解下，其质量一并算在滑块的质量内
（6）实验前，导轨应尽量调水平
实验结论 根据所画的图表分析其物理含义，在一定误差允许范围内便可验证牛顿第二定律
撰写时间：20##-12-26
参考文献
主编 李书光 《大学物理实验》 科学出版社
主编 赵近芳 《大学物理学》 北京邮电大学出版社
主编 覃以威 《大学物理实验（I）》 广西师范大学出版社
主编 杨述武 《普通物理实验》（力学、热学部分） 高等教育出版社
主编 方利广 《大学物理实验》 同济大学出版社
第二篇：20xx高考物理总复习实验专题教案 验证牛顿第二定律
2011高考物理总复习实验专题教案
验证牛顿第二定律
[实验目的]
验证牛顿第二定律。
[实验原理]
1．如图所示装置，保持小车质量不变，改变小桶内砂的质量，从而改变细线对小车的牵引力，测出小车的对应加速度，作出加速度和力的关系图线，验证加速度是否与外力成正比。
2．保持小桶和砂的质量不变，在小车上加减砝码，改变小车的质量，测出小车的对应加速度，作出加速度和质量倒数的关系图线，验证加速度是否与质量成反比。
[实验器材]
小车，砝码，小桶，砂，细线，附有定滑轮的长木板，垫木，打点计时器，低压交流电源，导线两根，纸带，托盘天平及砝码，米尺。
[实验步骤]
1．用天平测出小车和小桶的质量M和M'，把数据记录下来。
2．按如图装置把实验器材安装好，只是不把挂小桶用的细线系在小车上，即不给小车加牵引力。
3．平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的点是否均匀来判断）。
4．在小车上加放砝码，小桶里放入适量的砂，把砝码和砂的质量m和m'记录下来。把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，取下纸带，在纸带上写上编号。
5．保持小车的质量不变，改变砂的质量（要用天平称量），按步骤4再做5次实验。
6．算出每条纸带对应的加速度的值。
7．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力，即砂和桶的总重力(M'+m')g，根据实验结果在坐标平面上描出相应的点，作图线。若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象质量不变时其加速度与它所受作用力成正比。
8．保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，并做好记录，求出相应的加速度，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和车内砝码总质量的倒数，在坐标平面上根据实验结果描出相应的点并作图线，若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象所受作用力不变时其加速度与它的质量成反比。
[注意事项]
1．砂和小桶的总质量不要超过小车和砝码的总质量的。
2．在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，但小车应连着纸带且接通电源。用手给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。
3．作图时应该使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能对称地分布在直线的两侧，但如遇个别特别偏离的点可舍去。
[例题]
1．在做验证牛顿第二定律的实验时，某学生将实验装置按如图安装，而后就接通源开始做实验，他有三个明显的错误：（1）____________；（2）____________；（3）____________。
答案：（1）没有平衡摩擦力；（2）不应挂钩码，应挂装有砂子的小桶；（3）细线太长悬挂物离地面太近。
2．在验证牛顿第二定律的实验中，用改变砂的质量的办法来改变对小车的作用力F，用打点计时器测出小车的加速度a，得出若干组F和a的数据。然后根据测得的数据作出如图所示的a-F图线，发现图线既不过原点，又不是直线，原因是
A．没有平衡摩擦力，且小车质量较大
B．平衡摩擦力时，所垫木板太高，且砂和小桶的质量较大
C．平衡摩擦力时，所垫木板太低，且砂和小桶的质量较大
D．平衡摩擦力时，所垫木板太高，且小车质量较大
答案：C