用DIS系统改进牛顿第二定律实验

向可 刘文昊 王子涵 舒文路

摘 要：牛顿第二定律阐述了力与运动的关系，是高中阶段重要的实验之一。高中验证牛顿第二定律时，主要用打点计时器估算小车的加速度，用悬挂重物的方式提供合外力。当满足小车质量远大于重物质量时，把小车所受拉力大小近似认为等于重物的重力。但实验时，很难做到小车质量远大于重物质量，这给实验带来了较大误差。笔者将教材上的实验加以改进，利用DIS系统的位移传感器和力传感器实时测量小车所受拉力和加速度的大小，有效地改进了教材上实验的不足之处。

关键词：DIS系统；加速运动；牛顿第二定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）12-0042-3

1 提出问题

我们在学习人教版高中物理课本必修1第四章第二节《实验：探究加速度与力、质量的关系》的过程中，把小车所受拉力的大小近似等于重物的重力。而我们知道只有满足小车质量远大于重物质量这个条件时，这两个力才近似相等。如何解决这个近似的问题呢？本文引入DIS系统，对教材上的实验进行了改进，巧妙地设计出能实时测量小车所受拉力大小的实验装置，有效解决了该实验方案的不足之处。

2 实验器材

中科达数字化实验系统、小车、轨道、钩码、位移传感器、力传感器、细线等。

3 实验装置图（如图1所示）

4 实验步骤

（1）按图1组装好实验器材；

（2）平衡摩擦力，调节轨道定滑轮一端的高度，细线不挂重物，通过左右移动小车，直至小车的s-t图线为一条过原点的倾斜直线，如图2所示；

（3）打开通用软件，力传感器通道、位移传感器“调零”；

（4）将质量为5 g的钩码挂在细线上，调节定滑轮的高度，让小车上的定滑轮和轨道上的定滑轮处在同一高度，并把小车移至靠近位移传感器接收端的位置；

（5）将采集频率调至每0.1 s记录一次数据，点击“开始”，然后释放小车；

（6）小车停止后，点击“结束”；

（7）将记录的数据导入Excel表格，如表1所示；

（8）改变钩码质量，重复以上步骤（如表2～表4）。

5 数据处理

（1）依据表1～表4中的s-t数据，在Excel表格中作出小车的s-t图线，如图3～图5所示；

（2）在Excel表格中作出的各幅图线中添加二次项拟合曲线，并显示拟合公式；

（3）由于小车在做匀加速直线运动，故小车的加速度为二次项系数的2倍，即可求出各图线所对应的小车的加速度；

（4）依据表1～表4中的T-t数据，计算出小车运动过程中受到的平均拉力；

（上接第43页）

（5）由于与力传感器相连的细绳通过定滑轮对小车施加拉力，故小车受到的合力为拉力T的两倍，具体计算数据如表5所示；

（6）以小车受到的合力F为横坐标，小车的加速度a为纵坐标，作出a-F图线，如图7所示。

6 实验结论

線性拟合线经过原点，可见在误差允许的范围内，当小车的质量一定时，小车的加速度与合力成正比。

7 结 论

通过引入DIS系统对教材上牛顿第二定律实验的实验方案加以改进，巧妙地设计出能实时测量小车所受拉力大小的实验装置，直接测出细线中的拉力，可避免悬挂重物质量与小车质量之间关系的束缚，有效地改进了过去实验方案的不足之处。

参考文献：

[1]张一，莫皓云，黄昱章，等.用DIS探究液体表面张力的实验设计[J].物理教学探讨，2018，36（1）：56-59.

（栏目编辑 王柏庐）