运用数字传感器验证牛顿第二定律
摘要：本文研究了一种运用数字传感器验证牛顿第二定律的实验方法。在中学物理实验中，牛顿第二定律验证实验是一个验证性实验，涉及到检验一个物理定律或规律的基本途径和方法[1]。在通过气垫导轨和光电门的组合验证牛顿第二定律的方法中，主要是通过测量物体的速度来求出物理的加速度从而验证牛顿第二定律；而在运用打点计时器来测量加速度时，则是通过测量纸带上的点间距离来计算出加速度的。但打点计时器测加速度的过程中有来自于小车与桌面的摩擦，以及测量过程中引入的误差[8]。因此，通过将打点计时器和气垫导轨以及数字传感器共同组合起来测量加速度，从而验证牛顿第二定律，便可以即抛开了运用光电门测加速度的老套路，又可以降低运用位移测量加速度的误差，从而得到一种通过测量物体的位移来验证牛顿第二定律的方法。
关键词：牛顿第二定律；数字传感器；气垫导轨
1 引言：
在中学物理中验证牛顿第二定律是非常重要的一个实验，有很多种方法来测量，比如二力平衡法、气垫导轨法等。此实验可以培养自己的动手能力和计算能力，也可能在此过程中找到测量精度更高或者更简单的方法，而无论什么方法，最重要的还是如何测量出物体加速度的问题。到目前为止，有很多种方法测量加速度，除了上面说的几种方法，还有光传感器测量加速度等等很多种方法。对于传统的
使用打点计时器测量加速度的方法对实验引入的误差较大。无论是在通过调整导轨的倾斜角以平衡摩擦力，还是用纸带上的点的间距来计算加速度都是不够精确的。而随着新课程改革的不断深入，应用数字传感器测量位移、速度、加速度已经变得非常容易并且精确了。对于本实验而言，最主要的是通过比较同一个物体的加速度和所受合外力的关系以及相同的力作用在不同的质量上的物体时加速度和质量的关系。所以，如何让学生较快的测出相关量从而分析得出结论才是本实验的重点。而对于实验本身则应该简化实验步骤以及使实验的测量的量可以尽可能的精确[7]。正因如此我对传统的实验方法进行了一些改进，首先本实验中运用了数字传感器测量加速度，充分运用了数字信息系统的优势，避免了用纸带上的点的间距来计算加速度都时引入的误差。而且，在对导轨的处理上也进行了一些改进，抛弃了原来的光滑斜面取而代之以气垫导轨，这样也就大大的简化了摩擦，更加精确了实验数据以及简化了实验步骤。而且利用气垫导轨以及数字传感器等新事物激发学生的兴趣，从而调动学生的积极性，让学生能更主动的投入到物理实验中来。更值得一提的是气垫导轨法的研究者是最多的，探讨了各种作图法中产生的误差；以及对用气垫导轨测量时所产生的系统误差做了严密的分析[9]。综上所述，本实验将滑动变阻器以及数字传感器组合起来，另辟蹊径，通过位移传感器测量出物体的位移，再运用位移与加速度的关系求出物体的加速度，从而验证牛顿第二定律。
2 实验内容
2.1实验原理
朗威数字化实验系统的位移传感器包括发射端和接收端，如图1。它是利用超声波测距的原理设计的，即已知超声波在空气中的传播速度，测量超声波从发射到反射回来的时间，就可以计算出相距的距离[10]。位移传感器可以实时测量物体的位移，可以直接得到物体在运动过程中的s—t图像，并且可以运用朗威数字化实验系统中的图像处理功能，直接求出物体运动的加速度。
（图片拍摄于师范大学物理试验室，感谢云南师范大学物理试验室提供场地用于本次摄影）
图1位移传感器
Fig 1 Displacement nsor
气垫导轨如图（2）是一种摩擦力很小的实验装置，它利用从导轨表面小孔喷出的压缩空气，在滑块与导轨之间形成很薄的空气膜，将滑块从导轨面上托起，使滑块与导轨不直接接触，滑块在滑动时只受空气层间的内摩擦力和周围空气的微弱影响，这样就极大地减少了力学实验中难于克服的摩擦力的影响，滑块的运动可以近似看成无摩擦运动，使实验结果的精确度大为提高。滑块即为在导轨上运动的物体，它经过精密的加工使内表面与导轨的表面可以很精确的相互吻合，当导轨表面的喷气小孔喷出很强的气流时，滑块与导轨之间就形成了一层很薄的气垫，滑块就像悬浮在了导轨上，运动时也可以认为是无摩擦的运动了。
图2 气垫导轨示意图[10]
Fig 2 Air track diagram[10]
整体实验装置图如图3所示，位移传感器可以直接测绘出物体在运动过程中的s-t图像，利用朗威数字化实验系统的图像处理功能就可以直接求出物体在气垫导轨上运行的加速度，最后运用利用朗威数字化实验系统的图像处理功能绘制出每组实验数据中滑块与位移传感器发射端的总质量和挂物端拉力的曲线图，从而
简历自我评价简洁大气验证牛顿第二定律。
图3整体实验装置党员之家
Fig 3 Experimental apparatus
2.2 实验仪器：
朗威数字化实验平台5.0，位移传感器，气垫导轨，铁架台，天平。
2.3实验步骤
（1）将位移传感器的发射端固定在滑块上，接收端固定在铁架台上面，接收端用数据线接入数据采集器的第一通道，要求发射端和接收端的端口在一条直线上，保证发射端的端口在运行过程中始终与接收端的端口正对，然后启动朗威数字化实验系统。
（2）点击“通用教材软件”按钮，选择“组合图线”窗口，点击“添加”按钮，选取“时间-位移”图像，如图4。
胡子类型
图4 组合图线窗口
Fig 4 Combination Chart window
（3）点击“开始”按钮，打开气垫导轨气源开关，释放滑块，系统将自动记录下滑块在气垫导轨上运动时所产生的s-t 图像。
友好的反义词由于滑块的运行速度很大，运动到低端时的速度变化很大，所以要做好减震措施来防止滑块和位移传感器被摔坏。
在s-t 图像上选择“有效区段”。对所选区段进行“二次多项式拟合”，此时可以发现，拟合图线和所测图
像完全重合，说明位移和运动时间确实为二次方关系。
在s-t 图中选取较为平滑的区段，选取两组对应的点（t 1s 1)以及（t 2s 2)
运用公式2
2t s
a ∆∆=
得出物体的加速度，从而验证牛顿第二定律。
3 实验结果与分析
日式咖喱饭3.1数据记录如下表： 滑块与位移传感器（发射端）质量：
梦见骷髅头
表1：滑块与位移传感器（发射端）质量
Table 1: the slider displacement nsor (transmitter side) quality
由上表可得m =274.578g
表2：（t s) 值 Table 2: The value (t s)
由表2可得
组数
滑块与位移传感器（发射端）质量（g)
1 274.58
2 274.57
3 274.58
4 274.58
5 274.58 6
274.58
钩码数 S 1 (cm) S 2(cm)
t 1(s) t 2(s) 1电加热膜
20.00 100.00
0.474 1.409 0.486 1.420 0.472 1.408 0.481 1.414 0.462 1.419 2
20.00 100.00
0.329 0.996 0.335 1.009 0.331 0.998 0.316 0.975 0.339 0.987 3
20.00 100.00
0.271 0.871 0.273 0.869 0.270 0.868 0.269 0.874 0.272 0.872 4
20.00 100.00
0.235 0.708 0.237 0.697 0.238 0.714 0.232 0.720 0.229 0.798 5
20.00 100.00
0.210 0.634 0.212 0.628 0.209 0.637 0.208 0.636 0.215 0.630
>河北白洋淀
