探究牛顿第二定律的实验研究+文献综述(3)
3.1.2 利用气垫导轨验证牛顿第二定律
实验装置如图3所示，首先按照实验说明测出阻尼常量 。然后用轻线挂上重物 。此时合外力 ，
图3. 气垫导轨上验证牛顿第二定律实验装置
在此方案中系统的质量 ，（ 为滑轮的折合质量）。需要强调的是在整个实验过程中保证系统质量不变。
表2.1: F不变，改变M的相关数据
系统质量/g 加速度/cm/s2 加速度平均值/cm/s2 力F/N Fi与F比较
表2.2: M不变，改变F相关数据m2/g 加速度cm/s2
1 2 3 平均值
m21=砝码盘质量 5.26 0.0438 0.0435 0.0432 0.0435
m22=m21+1
只砝码质量 10.27 0.0970 0.0974 0.0976 0.0973
m23=m21+2
只砝码质量 15.28 0.1468 0.1466 0.1444 0.1460
m23=m21+3
只砝码质量 20.29 0.1941 0.1935 0.1949 0.1942
m24=m21+4
只砝码质量 25.30 0.2451 0.2500 0.2480 0.2477
由实验数据和数据图像可知，该设计方案借助气垫导轨的特性，将实验中的各种阻力降到了最小，从而能够取得将更好的实验效果。但该设计方案的操作复杂，无法直接引入到课堂教学中，并且其中用到的个别参量也让中学生很难理解。
2.2 系统重力差提供拉力来验证
2.2.1 用阿德伍德机验证牛顿第二定律
实验装置如图5所示： 、 为物体的质量， 、 为两光电门，L为制动杆，K 为开
关。在不计细线和滑轮的质量、滑轮与细线之间的摩擦
以及细线不可伸长的条件下， 根据牛顿第二定律，可以得到下式 ： ， 式中 、 分 别为物体A、B的质量， 为物体B的加速度，总质量 图5 阿德伍德机
m = + ，合外力F= ( )g 。
实验方法：
(1) 验证F与 的关系：实验时保证物体的总质量( + )在测量过程中不变，测出在不同合外力F= ( )g作用下物体B的加速度 。根据测得的 的数据作F- 图，从而验证 与F是否满足在质量m不变时 的关系。从实验装置可知，如果 > ，则物体B的加速度 方向向上；反之；如果 < ，则物体B的加速度 方向向下。在实验过程中为了确保实验方便，在保证总质量( + )不变的情况下，还要使 > ，即使物体B向上运动。
(2) 验证 与 的关系：实验要求在保证合外力，F=( )g不变的条件下，通过改变物体A、B的质量，测出物体B的加速度 ，从而验证 与 的关系。但在本实验装置中，合外力F与 ， 有关，只要我们改变了物体A，B中任何一个的质量，合外力F就随之而改变，从而不能满足实验要求的条件。但是，实验又要求改变物体的质量。因此，我们可以采用下面的方法来满足这一要求。即在物体A、B上同时加上(或减去)相同质量的砝码，这样合外力F= ( )g在实验过程中始终保持不变，这就达到改变物体质量的目的，从而满足了实验要求的条件。
在实验过程中，在物体A、B上加上(或减去)相同质量的砝码后，测出此时物体的总质量m及其对应的加速度 。反复加(或减)相同质量的砝码，测出相应的几组m与 的值。根据所得的数据作 图，从而验证在合外力F不变的情况下， 与 的正比关系。
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