验证牛顿第二定律

验证 F=ma · 打点计时器 · 逐差法 · 高中力学
高考必考
拖动垫片调节倾角 · 拖动小车轻推释放
10 20 30 40 50 ↕ 拖动调节 50.0Hz 电源 M ← 拖住松手释放 绳 T F mg 备用钩码 50g 50g 50g ↓ 拖到绳末端 砝码 50g 50g 50g ↓ 拖到小车上 拖住小车松手释放

实验引导

1补偿摩擦力:拖动垫片调倾角,推小车看纸带是否等间距
2探究 a 与 F:拖钩码挂上去,释放小车,记录数据
3探究 a 与 M:改变小车质量,重复实验
4分析数据:在图上描点拟合,验证 F=ma

实时数据

小车+砝码 M200.0 g
钩码 m0 g
车上砝码0 片
拉力 F0.00 N
木板倾角0.0°
纸带状态未测试
加速度 a— m/s²

实验记录

次数F (N)a (m/s²)
释放小车开始记录
F / N a / m·s⁻² 0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 2 4 6 8

显示选项

力的箭头

牛顿第二定律

物体的加速度与所受合外力成正比,与质量成反比。方向与合外力方向相同。

  • F — 合外力(单位:N)
  • m — 物体质量(单位:kg)
  • a — 加速度(单位:m/s²)

实验中,补偿摩擦力后绳的拉力即为小车受到的合外力。当钩码质量 m ≪ 小车质量 M 时,绳的拉力近似等于钩码重力 mg。

逐差法求加速度

在纸带上取连续等时间间隔的计数点,每段位移依次为 s₁, s₂, s₃, s₄, s₅, s₆。

  • 将数据分前后两组:(s₁, s₂, s₃) 和 (s₄, s₅, s₆)
  • 逐差:Δs₁ = s₄ - s₁, Δs₂ = s₅ - s₂, Δs₃ = s₆ - s₃
  • 每个 Δs 对应 3T 的时间间隔
  • 取平均得加速度

考点提醒:逐差法比逐项求差再取平均更精确,因为它充分利用了所有数据点,减小了偶然误差。

误差分析

a-F 图像不过原点?

  • 摩擦力未完全补偿 → 图像在 F 轴上有截距
  • 过度补偿 → 图像在 a 轴上有截距

a-F 图像弯曲?

  • 钩码质量过大,不满足 m ≪ M 条件
  • 此时绳的拉力 ≠ mg,需要用 T = mMg/(M+m) 修正

考点提醒:高考常考"图像异常的原因分析",要能结合实验操作判断误差来源。

典型例题

题目:用如图所示装置验证牛顿第二定律。小车质量 M=200g,砝码盘(含砝码)质量 m=20g。已补偿摩擦力。释放小车后打点计时器记录纸带,相邻计数点间距依次为 2.40cm, 3.20cm, 4.00cm, 4.80cm, 5.60cm, 6.40cm(每两个计数点间还有4个点)。求小车加速度。

T = 0.02 × 5 = 0.1s(每两个计数点间5个间隔)
逐差法:
Δs₁ = s₄ - s₁ = 4.80 - 2.40 = 2.40 cm
Δs₂ = s₅ - s₂ = 5.60 - 3.20 = 2.40 cm
Δs₃ = s₆ - s₃ = 6.40 - 4.00 = 2.40 cm
a = (Δs₁ + Δs₂ + Δs₃) / (3 × (3T)²)
a = (2.40 + 2.40 + 2.40) × 10⁻² / (3 × 0.09)
a = 0.80 m/s²
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