第4讲 实验：验证牛顿运动定律
一、实验目的
1．学会用控制变量法研究物理规律。
2．验证牛顿第二定律。
3．掌握利用图象处理数据的方法。
二、实验原理
探究加速度a与力F及质量m的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量如小车的质量m不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制小桶和砂的质量不变，即力F不变，改变小车质量m，讨论加速度a与质量m的关系。
三、实验器材
打点计时器，纸带，复写纸，小车，一端附有定滑轮的长木板，小桶，砂，夹子，细绳，低压交流电源，导线，天平(带有一套砝码)，刻度尺。
四、实验步骤及数据
1．用天平测出小车和砝码的总质量M，把数值记录下来。
2．按图所示把实验器材安装好，只是不把悬挂小桶的细绳系在车上，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一块木板。反复移动木板的位置，直至小车在斜面上可以保持匀速直线运动状态。这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力沿斜面向下的分力平衡。
4．把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码。
5．保持小车和砝码的质量不变，在小桶里放入适量的砂，使小桶和砂的总质量远小于小车和砝码的总质量，把小桶和砂的总质量m′记录下来，重复步骤4。在小桶内再放入适量砂，记录下小桶和砂的总质量m″，再重复步骤4。
6．重复步骤5三次，得到三条纸带。
7．在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上的加速度的值。
8．用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，作用力的大小F等于小桶和砂的总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比。
9．保持砂和小桶的质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点。如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比。
五、注意事项
1．实验中一定要平衡摩擦力以减小实验误差。
2．在实验中一定要注意使砂和小砂桶的总质量远小于小车和砝码的总质量。
3．改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且在小车到达定滑轮前按住小车。
4．各纸带的加速度，都应是该纸带的平均加速度。
5．作图象时，要使尽可能多的点落在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线的两侧。
六、误差分析
1．因实验原理不完善引起误差。以小车、小桶和砂整体为研究对象得mg＝(M＋m)a；以小车为研究对象得F＝Ma；求得F＝·mg＝·mg<mg。
本实验用小桶和砂的总重力mg代替小车受的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小桶和砂的总重力。小桶和砂的总质量比小车的质量小的越多，由此引起的误差就越小。因此，满足小桶和砂的总质量远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差。
2．摩擦力平衡不准确造成误差。在平衡摩擦力时，除了不挂小桶外，其他的均与正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各相邻两点间的距离相等。
3．质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差、细绳或纸带不与木板平行等都会引起实验误差。
