驗證牛頓第二定律-氣墊導軌實驗(一)

中國石油大學(華東)現(xiàn)代遠程教育課程名稱：大學物理(一)實驗(一)實驗形式：在線模擬+現(xiàn)場實踐 年級專業(yè)層 一一、實驗目的1．了解氣墊導軌的構造和性能，熟悉氣墊導軌的調(diào)節(jié)和使用方法。2．了解光電計時系統(tǒng)的基本工作原理，學會用光電計時系統(tǒng)測量短暫時間的方法。3．掌握在氣墊導軌上測定速度、加速度的原理和方法。a5．掌握驗證物理規(guī)律的基本實驗方法。二、實驗原理一個作直線運動的物體，如果在t~t+Δt時間通過的位移為Δx(x~x+Δx)，則該物Δt→0時，平均速度的極限值就是t時刻(或x位置)的瞬時速度(1)度就難以實現(xiàn)。但在一定誤差圍，只要取很小的位移Δx，測量對應時間間隔Δt，就可以用平均速度近似代替t時刻到達x點的瞬時速度。本實驗中取Δx為定值(約10mm)，xt速度的測量(1)由測量加速度(2)根據(jù)式(2)即可計算出滑塊的加速度。(2)由測量加速度(3)根據(jù)式(3)也可以計算出作勻加速直線運動滑塊的加速度。(3)由測量加速度還可以根據(jù)勻加速直線運動加速度a、位移S(S＝x－x0)及運動時間t之間的關系式測量加速度。據(jù)此計算加速度有多種方法，其中一種方法是根據(jù)式(4)(4)使物體(滑塊)從靜止開始運動，測出相應的運動時間t，作關系圖線。如果是直線，說明物體作勻加速運動，直線的斜率為。3．驗證牛頓第二定律牛頓第二定律所描述的容，就是一個物體的加速度與其所受合外力成正比，與其本身質(zhì)F=ma(5)(砝碼)兩個物體組成，忽略空氣阻力及氣墊對滑塊的粘滯力，不計滑輪和細線的質(zhì)量等。調(diào)節(jié)氣墊導軌水平后，將一定質(zhì)量的砝碼盤通過一細線經(jīng)氣墊導軌的滑輪與滑塊相連。用于細線所產(chǎn)生的力T，由于氣墊導軌和滑塊及細線所受的粘滯阻力及空氣阻力忽略不計，(6)式中a為運動系統(tǒng)的加速度，根據(jù)式(6)有(7)在式(7)中，若令m=m1+m2表示運動物體系統(tǒng)的總質(zhì)量，F(xiàn)=m2g表示物體系統(tǒng)在運動方向所受的合外力，則式(7)即為式(5)F=ma。根據(jù)式(7)，驗證牛頓第二定律可分為(1)當系統(tǒng)總質(zhì)量m保持不變時，加速度a應與合外力F成正比，比值為常數(shù)，即(8)實驗時，在保持總質(zhì)量m不變的情況下，改變合外力Fi=m2ig，即逐次改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，測出系統(tǒng)相應的加速度ai。如果在實驗誤差允許的圍式(9)成立，(9)若為直線，則可驗證式(8)，即a與F成正比。成反比，即(10)不同重量的質(zhì)量塊，測出系統(tǒng)相應的加速度ai。如果在實驗誤差允許的圍式(11)成立，(11)若為直線，則可驗證式(10)，即a與m成反比。如果式(8)和式(10)均被驗證，則式(7)即式(5)得到驗證，也就是說，驗證了氣墊導軌、光電計時系統(tǒng)、滑塊、砝碼、質(zhì)量塊(鐵塊)等1、調(diào)節(jié)氣墊導軌和光電計時系統(tǒng)(1)氣墊導軌的水平調(diào)節(jié)導軌水平狀態(tài)的調(diào)整是正確使用氣墊導軌的重要容，許多測量都需要先將導軌調(diào)整到水(1)靜態(tài)粗調(diào)導軌通氣后，滑塊放置在導軌上的實驗段，調(diào)整用于水平調(diào)節(jié)的底腳螺絲(圖2中的“9”)，直到滑塊保持不動，或稍有滑動，但不總是向一個方向滑動，則可認為導軌基本(2)動態(tài)細調(diào)先使滑塊以中等速度平穩(wěn)地從左端向右端運動，分別記錄先后通過兩個光電門的時間間隔和，仔細調(diào)節(jié)底腳螺絲，使和十分接近。當導軌完全水平時，由于滑塊與導軌間的粘滯阻力和滑塊周圍的空氣阻力，使比稍長一些，一般應在第三位讀數(shù)以間隔和，和也應十分接近。這時可認為導軌調(diào)平。(2)調(diào)節(jié)光電計時系統(tǒng)將氣墊導軌上的兩個光電門引線接入MUJ電腦式數(shù)字毫秒計后面板的P1及P2插口上，打開MUJ電腦式數(shù)字毫秒計電源開關。將氣墊導軌氣源接通，用適當?shù)牧ν苿踊瑝K一下，使它依次通過兩個光電門，看MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計是否能正常記錄時間，若不正常請檢查擋光桿是否擋光及檢查光電管照明是否充分。2．驗證物體系統(tǒng)總質(zhì)量不變時加速度與合外力成正比別記錄滑塊經(jīng)過兩個光電門的時間和，重復測量6次。3．驗證物體系統(tǒng)所受合外力不變時加速度與總質(zhì)量成反比五、實驗數(shù)據(jù)合外力不變時加速度與系統(tǒng)質(zhì)量的關系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系統(tǒng)質(zhì)量不變時加速度與合外力的關系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加速度與系統(tǒng)質(zhì)量關系加速度與合外力關系六、結(jié)論。實驗分析：實驗誤差主要來源于以下方面：1.導軌未完全調(diào)水平；2.空氣阻力的影響，細線、滑輪運動阻力的影響；3.氣流波動的影響；4.