2022年大学物理实验一牛顿第二定律的验证 .pdf

实验一牛顿第二定律的验证一、实验目的1、熟悉气垫导轨的构造，学习正确的调整方法；2、进一步熟悉用光电计时系统测量短时间的方法，从而学会测物体运动的速度和加速度；3、验证牛顿第二定律。二、实验仪器用具气垫导轨，数字毫秒计，两个光电门，滑块，砝码及砝码托盘，气源。1、气垫导轨部件如图 2-1 所示，各部件如下：1）缓冲弹片， 2）光电管与小聚光灯，3）光电门架， 4）喷气小孔， 5）挡光片， 6）滑块，7）导轨， 8）气垫滑轮， 9）垫片， 10）调平螺丝 （横向），11）堵头，12）双头螺栓，13）座底， 14）调平螺丝（纵向） ，15）进气嘴。（1）导轨由长 1.22 米的三角形铝管制成，要求平直度较高，轨面经过精密加工，打磨平滑，两侧各有两排相互错开、等间隔、孔径为0.40.8mm 的小孔，导轨一端封死，另一端装有进气嘴，压缩空气由这里进入管腔后，从小孔喷出。导轨两端还装有缓冲弹簧，有的导轨一端有气垫滑轮。整个导轨通过一系列直立的双头螺栓安装在工字钢梁制成的底座上，底座下面有三个底座螺钉可供调水平用。（2）滑块由 1030cm 长的角铝制成，内表面经过细磨，与导轨两个侧面精确吻合。（3）计时装置由数字毫秒计与光电门组成，使用方法见实验3 和实验 4。（4）气源 一般小型气源使用吹尘器，要求气压稳定、 流量适当、 消音减振及空气滤清。滑块以托起100m200 m 为宜。2、气垫工作原理滑块为什么能漂浮？是因为有“气垫效应”。滑块与轨面都经过精细加工，可以很好地吻合。 当导轨中小孔喷出空气流后，在滑块与导轨之间形成一个薄空气层 气垫，在滑块边缘， 不断有空气逸出，同时小孔又不断向气垫补充空气，使气垫得以维持存在。这是一个简单的耗散结构。 我们可以近似地把气垫看成密闭气体，在其中应用帕斯卡定律，小孔中的压强等量地传递到气垫各处，由于滑块与气垫接触面积大，受到很大的压力（方向向上），所以被托起漂浮。因此，滑块并不是被气流吹起来的，而是被气垫托起的。3、使用气垫导轨的注意事项（1）要保持气垫导轨表面的平直度和光洁度，不允许用任何东西敲碰轨面（特别注意光电门、滑块等组件的碰击）。（2）滑块在出厂前一般都是与导轨配套加工，因此，使用时不要随意调换。（3）为避免滑块与气轨擦伤，必须做到：实验时先接通气源后放滑块；实验完毕，先取滑块再关气源。（4）实验前用少许酒精擦洗轨面与滑块内表面；通气后用小绸条检查是否有小孔堵塞，如有堵塞，用直径0.3mm 的钢丝细心插通，注意不要擦毛孔口。（5）导轨应放在固定坚实的平台上，调整后不再移动。三、实验原理图 2-1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 牛顿第二定律Fma 可从两方面来验证：物体质量m 为常数时，它所获得的加速度a与所受合外力F 成正比；当合外力F 为常数时，物体获得的加速度a 与该物体质量m 成反比。将水平气轨上的滑块用细线与砝码盘相连在滑块上（图2-2） ，如果不计各种摩擦力与细线的质量，则滑块、滑轮、砝码盘运动系统满足方程：20GmMmI ra式中 G 为作用在运动系统上的合外力（阻力不计，G 就是重力） ，m 为滑块质量， M 为砝码总质量，m0为砝码质量， I/r2为滑轮的折合质量（I、r 分别为滑轮转动惯量和半径），令 M9m0，全部放在滑块上。然后，测出在砝码盘的重力m0g 作用下运动系统的加速度a1；再在滑块上取下M/9（即 m0）的砝码加在砝码盘上，测出在2m0g 作用下，运动系统加速度a2；再逐次在滑块上取下M/9 砝码依次加在砝码盘上，测出每次的加速度a3，a4，,，a10。由此数据进行上述第1 项验证。如果不改变作用在系统上的合外力F（即重力G） ，只改变滑块的质量 m（可以增减放在滑块上的砝码，或两滑块用橡皮泥串联），测出运动系统每改变一次质量时所对应的加速度。由数据再进行上述第（2）项的验证。关于运动加速度和运动速度的测量，我们作以下考虑：让两个光电门K1、K2相距 S（图 2-3） 。设滑块通过K1时瞬时速度为v1，通过 K2时为 v2，则 v22- v12 2aS。a 即为此时的加速度。再看图 2-4，挡光片的挡光部分宽度为d1、d3（d1d3） ，透光缺口宽度为d2。当滑块向右运动时，如用数字毫秒计S2档计时，则挡光片第1 条边通过光电门时，第一次遮光，开始计时；第3 条边通过时，第二次遮光，结束计时。于是，测得与d1d2距离相对应的时间间隔 t。当 d1d2S 时，可认为（ d1d2）/t 为待测的瞬时速度。如果测出通过K1的时间 t1和通过 K2的时间 t2，即得11212122vddtvddt（2.1）而且22212avvS2221221211ddStt（2.2）四、实验内容和步骤1、气垫导轨的调平与挡光练习。首先学习气垫导轨用法，通气后将滑块放在导轨上3-5 个等间距点位置上，如果滑块基本上都不动或只作任一方向的匀速运动，则导轨已经调平。然后，让滑块在轨面自由往返滑行，分别使用S1、S2档，观察记录数字毫秒计显示的挡光时间。图 2-2 图 2-3 图 2-4 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 2、测出图 2-4 和 2-3 所示的d1（或 d3） ， d2， S，并且用数字毫秒计测t1、t2， 即可由（ 2.2）式求出 a。保持质量不变， 研究外力和加速度的关系。在已调平的水平导轨上实验，称出滑块与挡光片共同质量m，将砝码盘配制成m0（2 克） ，再将 9 个 2 克的砝码放在滑块上，I、 r 由实验室给出，当重力（也就是合外力）为m0g、2m0g、 3m0g , 时测量相应的加速度a1、a2、a3、, 。一片一片的槽码m0只能从滑块上移到砝码盘上，不能脱离运动系统。根据测量数据描点作aG 图，所得图线应是一条直线。对于偏离直线较远的点，应该计算该点a 值的极限误差， 审核该点的偏离是否超过实验误差的范围。最后才确认，对于该运动系统，在多大误差范围内，牛顿第二定律是正确的（a 正比与 F） 。3、保持外力不变，研究外力和加速度的关系。在砝码盘上加四个m0（2 克）砝码，保持 5m0g 为合外力不变（即重力），改变运动系统质量，测a 值。运动系统的质量包括滑块质量 m 和砝码质量或附加滑块质量m，m 大约为 m/3、m/2、m, 根据测量数据描点作出1/am 图，验证牛顿第二定律（m 与 a 成反比，即m 与 1/a 成正比）。本实验应注意的事项：1、测量时滑块每次起始位置要尽量接近，两光电门到起始点之间的位置要适当选择，根据所使用的导轨来确定，尽量避免使用或少用无法调平的导轨部分。两光电门之间的距离约 4060cm，第一光电门离起始点约20cm。2、在改变系统质量时，m 不要取得太小，而滑块承受的负载m 也不能太大。所以，必要时串联一、二块小滑块（可用橡皮泥让滑块碰撞结合）。本实验在要求不高即误差允许范围略宽的情况下，同样可用电磁打点计时器，用小滑车在平板上完成。读者利用这些简单仪器可将本实验变成中学物理实验。五、实验思考题1、能否将导轨调成某一角度而做此实验？为什么？2、导轨应如何调整？如何保养？使用时应注意哪些问题？3、 实验中砝码质量选择得太大、太小有什么不好？砝码的改变量m 应根据什么而定？4、造成本实验的系统误差的因素有哪些？怎样避免或减少？5、气流流量不稳定对滑块运动存态有何影响？（提示：根据泊肃叶公式p1p28LQ/( r4)，粘滞系数为的流体，流过半径为r、长为 L 的圆管时，每秒流量为Q，则圆管两端压力差为p1p2。 ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -