验证牛顿第二定律-气垫导轨实验(一)

中国石油大学(华东)现代远程教育课程名称：大学物理(一)实验(一)实验形式：在线模拟+现场实践 年级专业层 一一、实验目的1．了解气垫导轨的构造和性能，熟悉气垫导轨的调节和使用方法。2．了解光电计时系统的基本工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。3．掌握在气垫导轨上测定速度、加速度的原理和方法。a5．掌握验证物理规律的基本实验方法。二、实验原理一个作直线运动的物体，如果在t~t+Δt时间通过的位移为Δx(x~x+Δx)，则该物Δt→0时，平均速度的极限值就是t时刻(或x位置)的瞬时速度(1)度就难以实现。但在一定误差围，只要取很小的位移Δx，测量对应时间间隔Δt，就可以用平均速度近似代替t时刻到达x点的瞬时速度。本实验中取Δx为定值(约10mm)，xt速度的测量(1)由测量加速度(2)根据式(2)即可计算出滑块的加速度。(2)由测量加速度(3)根据式(3)也可以计算出作匀加速直线运动滑块的加速度。(3)由测量加速度还可以根据匀加速直线运动加速度a、位移S(S＝x－x0)及运动时间t之间的关系式测量加速度。据此计算加速度有多种方法，其中一种方法是根据式(4)(4)使物体(滑块)从静止开始运动，测出相应的运动时间t，作关系图线。如果是直线，说明物体作匀加速运动，直线的斜率为。3．验证牛顿第二定律牛顿第二定律所描述的容，就是一个物体的加速度与其所受合外力成正比，与其本身质F=ma(5)(砝码)两个物体组成，忽略空气阻力及气垫对滑块的粘滞力，不计滑轮和细线的质量等。调节气垫导轨水平后，将一定质量的砝码盘通过一细线经气垫导轨的滑轮与滑块相连。用于细线所产生的力T，由于气垫导轨和滑块及细线所受的粘滞阻力及空气阻力忽略不计，(6)式中a为运动系统的加速度，根据式(6)有(7)在式(7)中，若令m=m1+m2表示运动物体系统的总质量，F=m2g表示物体系统在运动方向所受的合外力，则式(7)即为式(5)F=ma。根据式(7)，验证牛顿第二定律可分为(1)当系统总质量m保持不变时，加速度a应与合外力F成正比，比值为常数，即(8)实验时，在保持总质量m不变的情况下，改变合外力Fi=m2ig，即逐次改变砝码盘中砝码的质量，测出系统相应的加速度ai。如果在实验误差允许的围式(9)成立，(9)若为直线，则可验证式(8)，即a与F成正比。成反比，即(10)不同重量的质量块，测出系统相应的加速度ai。如果在实验误差允许的围式(11)成立，(11)若为直线，则可验证式(10)，即a与m成反比。如果式(8)和式(10)均被验证，则式(7)即式(5)得到验证，也就是说，验证了气垫导轨、光电计时系统、滑块、砝码、质量块(铁块)等1、调节气垫导轨和光电计时系统(1)气垫导轨的水平调节导轨水平状态的调整是正确使用气垫导轨的重要容，许多测量都需要先将导轨调整到水(1)静态粗调导轨通气后，滑块放置在导轨上的实验段，调整用于水平调节的底脚螺丝(图2中的“9”)，直到滑块保持不动，或稍有滑动，但不总是向一个方向滑动，则可认为导轨基本(2)动态细调先使滑块以中等速度平稳地从左端向右端运动，分别记录先后通过两个光电门的时间间隔和，仔细调节底脚螺丝，使和十分接近。当导轨完全水平时，由于滑块与导轨间的粘滞阻力和滑块周围的空气阻力，使比稍长一些，一般应在第三位读数以间隔和，和也应十分接近。这时可认为导轨调平。(2)调节光电计时系统将气垫导轨上的两个光电门引线接入MUJ电脑式数字毫秒计后面板的P1及P2插口上，打开MUJ电脑式数字毫秒计电源开关。将气垫导轨气源接通，用适当的力推动滑块一下，使它依次通过两个光电门，看MUJ-613电脑式数字毫秒计是否能正常记录时间，若不正常请检查挡光杆是否挡光及检查光电管照明是否充分。2．验证物体系统总质量不变时加速度与合外力成正比别记录滑块经过两个光电门的时间和，重复测量6次。3．验证物体系统所受合外力不变时加速度与总质量成反比五、实验数据合外力不变时加速度与系统质量的关系M/g250.900.900.90400.90450.900.90147.32.52531V/ms-110.2830.2440.2020.1300.1160.071V/ms-120.6320.5650.5110.4660.4280.396m=7.97ga'/ms-20.3200.2600.2200.2000.1700.152S=0.5000ma/ms-20.3110.2600.2230.1950.1730.156M/kg0.2510.3010.3510.4010.4510.501系统质量不变时加速度与合外力的关系M/g97.97.97135102V/ms-110.2810.3040.3260.3470.3660.382V/ms-120.5560.6100.6370.6860.7170.752M=253.9ga'/ms-20.2300.2800.3000.3500.3800.420△X=9.550mma/ms-20.2300.2690.3080.3460.3850.423F/N0.0590.0680.0780.0880.0980.108加速度与系统质量关系加速度与合外力关系六、结论。实验分析：实验误差主要来源于以下方面：1.导轨未完全调水平；2.空气阻力的影响，细线、滑轮运动阻力的影响；3.气流波动的影响；4.