牛顿运动定律( 三 ) _生活百科

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伽利略的理想斜面实验牛顿第二运动定律用打点计时器验证：研究系统的加速度与系统的质量和拉力间的关係时，将打点计时器固定在木板的一端，把砝码和小车栓在细线的两端，细线跨过滑轮，砝码的重量作为拉力，让拖着纸带的小车在平直的平面上运动，则小车及其上的砝码、线的另一端栓着的钩码组成一个运动系统。每次实验均须在纸带上注明拉力和系统的质量。为了抵消摩擦力，通常採取如右图所示的两种方法：倾斜滑动法、水平拉线法。

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倾斜滑动法和水平拉线法在气垫导轨上验证：将气垫导轨调平后（由于导轨都存在一定的弯曲，滑块与导轨间存在阻力，所以调平在实验中一般用滑块通过两个光电门时的速度相等来衡量），测出粘性阻尼常数b 。为了修正粘滞性摩擦阻力的存在所引起的速度损失，必须解决对粘滞性阻尼常数的测定。为了消除粘滞性阻尼，通常採取以下两种方法：倾斜导轨法（如右图所示）、振动法。

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倾斜导轨法用非线性回归法验证：即使是在气垫导轨上验证牛顿第二运动定律，也会有空气阻力作为主要影响因素影响实验测量精度。这需要尝试通过修正，其将影响减小到可忽略的程度。但常採用的一元线性回归法，不足以说明整个回归方程的好坏；二元线性回归法也同样存在一定的问题。用非线性回归法验证定律，首先对质点运动的动力学模型进行线性化处理，得到模型的参数线性估计值，并以其作为非线性模型的初值对动力学模型进行非线性回归分析。非线性回归法验证了定律的正确性，改进了验证定律的传统实验方法，具有一定的套用和推广价值。

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牛顿第二运动定律非线性拟合图此外，验证牛顿第二运动定律还有基于LabVIEW的教学平台、基于无线模组和Visual Basic的仿真演示实验设计、基于光电感测器的实验装置等。牛顿第三运动定律运用感测器进行定量实验：使用两个力感测器并保持两个感测器在同一平面上，让两个感测器的测力钩相互钩住或相抵。通过数据採集软体，分别得到两条力-时间图线，如右图1和图 2所示；同时得到该时间段的作用力和反作用力随时间变化的实时数据。通过观察可以看出作用力和反作用力与时间的对应关係：任意时刻，这两个力的大小基本一致。这表示这两个力的大小相等。这种实验方案，不仅适用于量化水平面上的相互作用力，而且适用于量化竖直平面或与竖直方向成任意角度的同一平面上的相互作用力，只要和两个力处于同一平面，就可以精确模拟作用力与反作用力，体现了两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，作用在同一直线上，更加直观有效地突出牛顿第三运动定律的普适性。

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感测器定量实验运用观察法进行定性实验：取一根长约15厘米两端开口的细玻璃管，管的直径约3毫米（能使火柴进出）。用两根火柴装入管中，使火柴头在管的中间互相接触，然后放平。用酒精灯对準火柴头加热、不久因玻璃管受热升温。火柴头达到着火点迅速燃烧，气体相互压迫，两根火柴桿从两管的开口处同时飞出，并观察到继续燃烧。由两火柴头飞出的路程大致相等，可说明物体间的作用力是相互的。此即直观地验证了牛顿第三运动定律。