研究加速度与力及质量关系方法四

【目的和要求】

　　研究运动物体质量不变时，它的加速度与所受外力的关系，以及运动物体所受外力不变时，它的加速度与质量的关系，得出力、加速度和质量之间的关系。

【仪器和器材】

　　斜面小车（J2108型），磁控电子秒表，学生天平（J0104型），钩码（J2106型）。

【实验原理】

　　利用气垫导轨做实验来验证牛顿第二定律。在图2．19中，当滑行器质量M远大于砝码质量m时，可以认为滑行器水平运动时受的合外力等于mg。研究质量一定时，加速度与 合外力的关系，以及合外力一定时，加速度与质量的关系，即可验证牛顿第二定律。

【实验方法】

小车所受外力一定时，小车的加速度与质量关系的研究

　　（1）在小车上只装一个小磁铁。平板按方法1调整好。磁控开关S₂安在小车开始运动的位置（小车上的磁铁距使磁控开关S能够工作的位置约1－2毫米）。

　　（2）将细线的一端与小车连结，另一端通过滑轮与砝码盘连结。砝码盘中放入10克砝码。使小车在砝码作用下由静止开始运动。这时S₂使电子秒表开始计时，当小车到达S₂时，S₁使电子秒表停止计时，并显示出小车由静止处运动到S₁的时间t。量出S₁、S₂间距离S，用天平称出小车质量m，将结果记入表2中。

表2     F=_______牛，S=_______米

　　（3）保持砝码盘中砝码质量不变，在小车上加砝码（每次为100克），改变小车质量m，重复上述实验4－5次，将所得结果记入表2中。

（4）由公式a＝2S/t²计算出小车的加速度，填入表2中。一条过坐标原点的直线，则说明在作用力一定的情况下，加速度a与小车质量m成反比。

　　4．利用所得到的实验结果，分析力、加速度和质量之间的关系。

【注意事项】

　　实验步骤2、3分别用两种方法测量加速度，是为了让学生了解和熟悉多种测量加速度的方法。实际是无论哪种方法均可以使用。教师可以引导学生分析比较这两种方法的优劣。

　　由a＝（V²－V₀²）/2S测量加速度的优点是原理简单明确，学生易于接收；缺点是数据处理复杂，实验中小车速度不能太快，否则误差太大（因为电子秒表精度为0．01秒，而小车经过一个磁控开关的时间大约为10^－2—10^－1秒，可能产生较大的计时误差）。

　　由a＝2S/t²测量加速度，优点是操作简便，计算简单，所测时间为全程运动时间，远大于电子秒表计时精度，故时间测量误差较小；缺点是小车开始运动时刻与磁控开关S₂开始计时时刻不完全一致，或者说小车由静止运动1－2毫米后才开始记时，从而造成计时误差。由于实际上S₂在计时之前小车运动的时间和距离与小车全程运动的时间和距离相比很小，所造成的误差也就比较小。