验证牛顿第二定律

一、实验条件设计中的科学方法——控制变量法

“验证牛顿第二定律”实验所研究的是物体运动的加速度a与物体所受外力F 的关系，物体运动的加速度a与物体的质量m的关系，即a、F、m间的关系。 由于加速度a随力F、物体的质量m的变化而同时发生变化， 所以它们间的关系难以确定， 实验中为了研究三者的关系采用了控制变量法。

所谓控制变量法， 就是将具有某种相互联系的三个或多个物理量中的一个或几个加以控制， 使之保持不变， 研究另外两个物理量之间的关系； 此后再控制另一个物理量， 使之保持不变， 研究剩余的两个物理量间的关系。 例如研究 、之间的关系， 研究a、F、m之间的关系， 研究 之间的关系等都用到这种方法。

在“验证牛顿第二定律”实验中， 在研究、F、m之间的关系时， 先控制物体的质量m不变， 改变力F的大小， 研究a与F的定量关系。得出物体的质量m一定时， 物体运动的加速度a与物体所受的合外力F成正比； 再控制物体所受的外力F不变， 改变物体的质量m， 研究a与m的定量关系。 得出物体所受的合外力F一定时， 物体运动的加速度a与物体的质量m成反比； 最后将二者加以归纳综合， 得出a、F、m三者之间的定量关系， 即物体运动的加速度a与物体所受的合外力F成正比， 与物体的质量m成反比。

二、实验环境的等效法——平衡摩擦法

在“验证牛顿第二定律”的实验中， 小车所受木板对它的滑动摩擦力f 随小车质量的变化而变化， 而在实验中又必须知道小车所受到的合外力F， 这样由于摩擦力 f 的变化， 给验证实验过程带来了不必要的麻烦。 一方面需要测定动摩擦因数， 另一方面还要测量、计算每次改变小车的质量后的摩擦力， 大大增加了实验的难度， 而该实验却巧妙地采用了平衡摩擦力的方法， 将重力沿斜面的分力与摩擦阻力平衡， 等效于小车不受摩擦阻力的作用， 从而简化了实验。

该实验平衡摩擦力的方法是， 将表面平整的木板的一端垫起， 使放在它上表面的物体所受重力沿斜面的分量与摩擦阻力相等， 即， 此时无论物体的质量怎样变化， 只要 成立， 就一定存在， 于是实现了化“变”为“不变”， 即平衡了摩擦力之后的实验环境就等效于物体不受摩擦阻力作用， 这样小车所受的合外力就是细线对小车的拉力。

在平衡摩擦力时应做到: ①平衡摩擦力时不要挂上沙桶； ②平衡摩擦力时要使小车拖着纸带， 使纸带通过打点计时器， 并且使打点计时器处于工作中， 因为打点计时器对纸带的阻力同样存在； ③通过打下的纸带粗测、判断小车是否做匀速直线运动， 从而判断是否已经平衡了摩擦力。