利用氣墊導(dǎo)軌驗證牛頓第二定律實驗報告-中國石油大學(xué)華東

利用氣墊導(dǎo)軌驗證牛頓第二定律【摘要】：氣墊導(dǎo)軌是為研究無摩擦現(xiàn)象而設(shè)計的力學(xué)實驗設(shè)備，在導(dǎo)軌表面分布著許多小孔，壓縮空氣從這些小孔中噴出，在導(dǎo)軌和滑塊之間形成了月0.1mm厚的空氣層，即氣墊，由于氣墊的形成，滑塊被托起，使滑塊在氣墊上作近似無摩擦的運動。利用氣墊導(dǎo)軌，再配以光電計時系統(tǒng)和其他輔助部件，可以對做直線運動的物體（即滑塊）進行許多研究，如測定速度、加速度、驗證牛頓第二定律，研究物體間的碰撞，研究簡諧運動的規(guī)律等。【關(guān)鍵詞】氣墊導(dǎo)軌、通用計數(shù)器、測速的試驗方法、牛頓第二定律、控制變量法、導(dǎo)軌調(diào)平實驗回顧【實驗?zāi)康摹?．熟悉氣墊導(dǎo)軌和MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計的使用方法。2．學(xué)會測量滑塊速度和加速度的方法。3．研究力、質(zhì)量和加速度之間的關(guān)系，通過測滑塊加速度驗證牛頓第二定律。【實驗原理】（一）儀器使用原理1．氣墊導(dǎo)軌如圖4-1所示，氣墊導(dǎo)軌是一種摩擦力很小的實驗裝置，它利用從導(dǎo)軌表面小孔噴出的壓縮空氣，在滑塊與導(dǎo)軌之間形成很薄的空氣膜，將滑塊從導(dǎo)軌面上托起，使滑塊與導(dǎo)軌不直接接觸，滑塊在滑動時只受空氣層間的內(nèi)摩擦力和周圍空氣的微弱影響，這樣就極大地減少了力學(xué)實驗中難于克服的摩擦力的影響，滑塊的運動可以近似看成無摩擦運動，使實驗結(jié)果的精確度大為提高。圖4-1氣墊導(dǎo)軌裝置圖2．MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計在用氣墊導(dǎo)軌驗證牛頓第二定律實驗中，我們采用MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計測量時間。利用它的測加速度程序，可以同時測量出滑塊通過兩個光電門的時間及滑塊通過兩個光電門之間的時間間隔。使用計數(shù)器時，首先將電源開關(guān)打開（后板面），連續(xù)按功能鍵。使得加速度功能旁的燈亮，氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣后，使裝有兩個擋光桿的滑塊依次通過氣墊導(dǎo)軌上的兩個光電門計數(shù)器按下列順序顯示測量的時間：顯示字符含義單位1通過第一個光電門的速度cm/s(亮)××·××2通過第二個光電門的速度cm/s(亮)××·××1—2在第一和第二個光電門之間運動的加速度cm/s2(亮)××·××若不是要求的單位亮則按轉(zhuǎn)換鍵即可顯示要求的單位。（二）驗證牛頓第二定律實驗原理驗證性實驗是在已知某一理論的條件下進行的。所謂驗證是指實驗結(jié)果與理論結(jié)果的完全一致，這種一致實際上是實驗裝置、方法在誤差范圍內(nèi)的一致。由于實驗條件和實驗水平的限制，有時可以使實驗結(jié)果與理論結(jié)果之差超出了實驗誤差的范圍，因此驗證性實驗是屬于難度很大的一類實驗，要求具備較高的實驗條件和實驗水平。本實驗通過直接測量牛頓第二定律所涉及的各物理量的值，并研究它們之間的定量關(guān)系，進行直接驗證。1．速度的測量懸浮在水平氣墊導(dǎo)軌上的滑塊，當(dāng)它所受合外力為零時，滑塊將在導(dǎo)軌上靜止或作勻速直線運動。在滑塊上裝兩個擋光桿如圖4-2所示，當(dāng)滑塊通過某一個光電門時，第一個擋光桿擋住照在光電管上的光，計數(shù)器開始計時，當(dāng)另一個擋光桿再次擋光時，計數(shù)器計時停止，這樣計數(shù)器數(shù)字顯示屏上就顯示出兩個擋光桿通過光電門的時間Δt。圖4-2滑塊如果兩個擋光桿軸線之間的距離為ΔL，可以計算出滑塊通過光電門的平均速度為：（1-1）由于ΔL比較小（1cm左右），在ΔL范圍內(nèi)滑塊的速度變化很小，所以可把看做滑塊經(jīng)過光電門的瞬時速度。2．加速度的測量在氣墊導(dǎo)軌上，設(shè)置兩個光電門，其間距為S。使受到水平恒力作用的滑塊（做勻加速直線運動）依次通過這兩個光電門，計數(shù)器可以顯示出滑塊分別通過這兩個光電門的時間Δt1、Δt2及通過兩光電門的時間間隔Δt?；瑝K滑過第一【實驗誤差討論】空氣阻力的影響，滑塊運動的過程中總會受到空氣阻力的影響，無法到達理想狀況。做實驗時溫度氣壓等外在因素的影響，使得g的理論值不是那么準(zhǔn)確驗證牛頓第二定律時，砝碼盤的質(zhì)量因為不可直接放到天平上稱量，可能不是那么準(zhǔn)確實驗存在系統(tǒng)誤差和讀書上的誤差【實驗優(yōu)點】實驗中采用氣墊導(dǎo)軌大大減小了實驗的摩擦誤差，這樣能夠使實驗數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。試驗中分別從質(zhì)量一定，控制力的大小和力的大小一定，質(zhì)量改變做運動來實施實驗，更加增加了實驗的準(zhǔn)確性和全面性。【小結(jié)】做實驗時，擋光片的選擇需要根據(jù)第一組數(shù)據(jù)中的誤差關(guān)系來選擇。實驗過程中要講究細(xì)心、耐心，千萬不可心浮氣躁，值得一提的是在氣墊導(dǎo)軌調(diào)平的時候要仔細(xì)觀察，分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)使得滑塊靜止或者左右微微擺動，細(xì)調(diào)要使t1<t2.。實驗過