大学物理仿真实验——气垫导轨上的直线运动

1、大学物理仿真实验实验报告气垫导轨上的直线运动实验的目的：利用气垫技术精确的测定物体的平均速度、瞬时速度、加速度以当地的重 力加速度，通过物体沿斜面自由下滑运动来研究匀变速运动的规律和验证牛顿 第二定律。实验原理：1 平均速度和瞬时速度的测量做直线运动的物体在时间内的位移为，则物 体在时间内的平均速度为当时，平均速度趋近于一个极限，即物体在该点的瞬时速度。我们用来表示 瞬时速度二 Sv =丨 i m t(2) M0 ：实验上直接用上式测量某点的瞬时速度是很困难的，一般在一定误差范围 内，用极短的内的平均速度代替瞬时速度。2 匀速直线运动若滑块受一恒力，它将做匀变速直线运动，可采用在导轨一端加一滑

2、轮，通 过滑轮旋一重物在滑块上，也可以把气垫导轨一端垫高成一斜面来实现。 采用前 者可改变外力，不但可测得加速度，还可以验证牛顿第二定律。采用后者，因在 测量过程中受外界干扰较小，测量误差较小，在测量加速度的基础上，还可以测 量当地的重力加速度。匀变速运动方程如下：v = Vo at(3)(4)2 2v V。 2 as(5)1 2at2在斜面上物体从同一位置由静止开始下滑，若测得不同位置处的速度V1,V2,V3为相应的时间tl,t2,t3,以t为横坐标，为V纵坐标作图，如果图线是一条直线，证明物体作匀加速直线运动，图线的斜率为加速度a,截距为Vtst2同样把V1,V2,V3对应处的测出，作t

3、图和V -s图，若图线是直线，则物体作匀加速直线运动，斜率分别为1a22和2a，截距分别为Va和Vo3.重力加速度的测定如图1所时，h为垫块的高度，L为斜面长，滑块沿斜面下滑的加速度为4.验证牛顿第二定律设运动物体的总质量为 M，作用力为F ,假设其他耗散力如摩擦力、空气阻力、气垫粘滞力可忽略不计，这时牛顿第二定律可表示为(8)F =Ma 若保持F二Ma不变，改变M, F/a 应为一常量，即F增大，a同时增大；F减小，a同时减小。若保持F不变，改变M,则Ma应为一常量，即增加M ,即 a减小。因此，只要在实验中满足上述条件，即可验证牛顿第二定律。实验仪器：主要由气轨、气源、滑块、挡光片、光电门

4、、游标卡尺、米尺和光电计时装 置等。运用本实验仪器可做多种实验，比如平均速度和瞬时速度、匀速直线运动 的研究、牛顿第二定律的验证、完全非弹性碰撞、非完全弹性碰撞、重力势能与 平动动能等。实验内容:1. 匀变速运动中速度与加速度的测量(1) 先将气垫导轨调平，然后在一端单脚螺丝下置一垫块，使导轨成一斜 面。(2) 在滑块上装上U型挡光片，在导轨上置好光电门，打开计时装置。(3) 使滑块从距光电门s=20.0cm处自然下滑，做初速度为零的匀加速运 动，记下挡光时间/1，重复三次。(4) 改变s，重复上述测量。(5) 测量/1，垫块高h及斜面长L。(6) 用最小二乘法对v2=2as进行直线拟合，并求

5、出标准误差。(7) 用坐标纸作v2-2s曲线，求a,与最小二乘法所得结果进行比较，并 计算go2. 验证牛顿第二定律将垫块取出，时导轨处于水平状态。用细线将砝码盘通过滑轮与滑块相连若滑块质量为m0，砝码盘和盘中砝码的质量为mn，滑轮等效质量叫（约为0.30g ），砝码盘、盘中砝码和滑块上的砝码的总质量为m，则此时牛顿第二定律方程为Fn =mng =(mm - 口応 (9)改变 Fn =mng =（m0 m me）an，使 Fn 分别 2.00g,4.00g,6.00g,8.00g,10.00g时（每次剩余砝码要放在滑块上），测量在不同力的作用下，通过光电门的瞬时2 c速度Vn，再由人 2aS

6、，求出。作Fn -办曲线，由斜率求出物体的总质量实验数据记录及处理 实验截屏验正牛顿第二定律实验K=1.41ASI 000 cmS 60 00 cmL=11.21廿算FAL(ms)At j(ms IAtj(ms IAt (ms)a (cm) IO.OO+LOO4646.14646 03.9200+1.002525.425.525.412.94.00+1 001S.818J18.018.823J6 00-fLCO151515.115.036,9WOO 十 LOO12.512.612.512,553.110 00+1 (X)1DJ10510J10J72.BMsM50.0 g30 g由Fn =mng =(m0，m me) an及上图可求出总质量为1.14kg测重力加速度实验agL由h计算得g=9.92 m 2/ s,v 2 as由 n,a=K=2.48 m/ s思考题：1.用平均速度V代替瞬时速度V对本实验中的影响如何？答：因为其速度较大而当光条的长度较小