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

1、word 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)軌外表分布著許多小孔，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(yùn)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(yùn)動的物體即滑塊進(jìn)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(yùn)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)平實驗回憶【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

2、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)軌外表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(yùn)動可以近似看成無摩擦運(yùn)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2MUJ-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

3、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)翻開后板面，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)器按以下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)××·×× 12 在第一和第二個光電門之間運(yùn)動的加速度 cm/s2 (亮)×

4、;×·×× 假設(shè)不是要求的單位亮那么按轉(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某一理論的條件下進(jìn)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(jìn)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

5、速直線運(yùn)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t 。圖4-2 滑塊如果兩個擋光桿軸線之間的距離為L，可以計算出滑塊通過光電門的平均速度為： 1-1由于L比擬小1cm左右，在L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(yùn)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t1、t2及通過兩光電

6、門的時間間隔t。滑塊滑過第一個光電門的初速度為v1=，滑塊滑過第二個光電門的末速度為v2=，那么滑塊的加速度為： 或 1-23驗證牛頓第二定律按照牛頓第二定律，對于一定質(zhì)量M的物體，其所受的合外力合和物體獲得的加速度之間的關(guān)系如下：合=M 1-3驗證此定律可分為兩步：1驗證物體的質(zhì)量M一定時，其所受合外力合和物體的加速度成正比；2驗證合外力合一定時，物體的加速度的大小和其質(zhì)量M成反比。假設(shè)實驗中所用滑塊質(zhì)量為m1，砝碼盤和砝碼的質(zhì)量為m2，那么該系統(tǒng)的總質(zhì)量M=m1+m2，該系統(tǒng)所受的合外力的大小F=m2g，那么有：F=Ma 1-4【實驗儀器】氣墊導(dǎo)軌，滑塊，MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計，砝

7、碼?！緦嶒灢襟E】一調(diào)節(jié)光電計時系統(tǒng)將氣墊導(dǎo)軌上的兩個光電門引線接入MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計后面板的P1及 P2插口上，翻開MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計電源開關(guān)。將氣墊導(dǎo)軌氣源接通，用適當(dāng)?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，假設(shè)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。二調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平1靜態(tài)調(diào)平粗調(diào)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌底腳螺絲使滑塊在導(dǎo)軌上無定向的自然運(yùn)動，也就是滑塊能靜止在導(dǎo)軌上，可以認(rèn)為導(dǎo)軌被初步調(diào)平。2動態(tài)調(diào)平細(xì)調(diào)用適當(dāng)?shù)牧ν苿踊瑝K一下，使它依次通過兩個光電門，要求滑塊通過兩個光電門的時間t1和t2相對差異小于1%。否那么應(yīng)

8、繼續(xù)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌底腳螺絲，直至到達(dá)要求。三驗證牛頓第二定律1物體系的總質(zhì)量M一定，驗證外力與加速度成正比 在導(dǎo)軌上固定兩個光電門，將線一端系在滑塊上，另一端通過氣墊滑輪與砝碼盤相連。在滑塊上放置兩個砝碼，砝碼盤上放一個砝碼，砝碼盤自身質(zhì)量為5g?；瑝K置于遠(yuǎn)離氣墊滑輪的導(dǎo)軌另一端，由靜止釋放，在砝碼盤及一個砝碼所受重力作用下，滑塊作勻加速直線運(yùn)動，由計數(shù)器測量出加速度a1。重復(fù)測量三次注意：滑塊釋放的初始位置必須一致，靠近氣墊滑輪的光電門安放位置要適宜，防止滑塊尚未通過此光電門而砝碼盤已落到地面上。 將一個砝碼從滑塊上取下，放入砝碼盤中，重復(fù)上述實驗步驟，測出滑塊加速度a2。 再將滑塊上的另一個砝碼

9、取下，也放入砝碼盤中盤中砝碼總數(shù)為3個，仍然重復(fù)上述實驗步驟，測出滑塊加速度a3。 記錄m1，m2和M 的值，計算出作用力F1、F2和F3m2指砝碼盤及盤中砝碼的質(zhì)量之和，M為滑塊、砝碼盤及盤中砝碼的質(zhì)量之和。2物體系所受外力F一定，驗證物體系的質(zhì)量與加速度成反比 在砝碼盤中放入一個砝碼，測出在此作用力下，質(zhì)量為m1的滑塊運(yùn)動的加速度a。 保持砝碼盤中的砝碼不變外力一定，將一質(zhì)量為m1的砝碼放在質(zhì)量為m1的滑塊上，測出在此作用力下，滑塊組運(yùn)動的加速度a。 以上測量重復(fù)進(jìn)行三次。記錄m2的值并求出物體系的總質(zhì)量M 和M。【數(shù)據(jù)處理】1.保持系統(tǒng)合外力F不變，改變系統(tǒng)總質(zhì)量M，驗證a&1/

10、M，即Ma=F， 兩光電門之間距離S=50cm 當(dāng)光片寬度l=1cm M：砝碼1只+砝碼盤 M1：小滑塊+砝碼1只+砝碼盤+擋光片+套鉤+鉤+固定螺釘3只 M2：M1+配重塊2個+固定螺釘2只 M3：M2+配重塊2個M2=10.27g F=m2*g=0.1006N 系統(tǒng)質(zhì)量/g加速度/cm/s2加速度平均值/cm/s2力F/NFi與F比擬百分誤差M1=182.4451.1951.110.09327%50.9551.20M2=288.8932.7932.700.09456%32.8232.49M3=388.9721.1821.140.089211%21.1521.102.保持系統(tǒng)總質(zhì)量不變，改變

11、系統(tǒng)的合外力F的大笑，驗證F正比于a兩光電門之間距離s=50cm，擋光片寬度l=1cm系統(tǒng)總質(zhì)量M=87.00gm2/g加速度 a/cm*s-2123平均值m 21=砝碼盤質(zhì)量5.260.04380.04350.04320.0435m 22=m21+1只砝碼質(zhì)量10.270.0970009740.09760.0973m 23=m21+2只砝碼質(zhì)量15.280.14680.14660.14440.1460m 23=m21+3只砝碼質(zhì)量20.290.19410.19350.19490.1942m 24=m 21+4只砝碼質(zhì)量25.300.24510.25000,24800.2477【實驗誤差討論】1. 空氣阻力的影響，滑塊運(yùn)動的過程中總會受到空氣阻力的影響，無法到達(dá)理想狀況。2. 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3. 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4. 實驗存在系統(tǒng)誤差和讀書上的誤差【實驗優(yōu)點】1. 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。2. 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(yùn)動來實施實驗，更加增加了實驗的準(zhǔn)確性和全面性?！拘〗Y(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