牛頓第二定律的驗證x

牛

頓

第

二

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律

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驗

證

和

碰撞實驗大學(xué)物理實驗教學(xué)中心

牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表述是：F=Ma。它是質(zhì)點動力學(xué)的基本方程，它給出了力、質(zhì)量和加速度三個物理量之間的定量關(guān)系。驗證牛頓第二定律從兩個方面著手：（1）系統(tǒng)總質(zhì)量不變，考察合外力和加速度的關(guān)系。（2）合外力不變，考察總質(zhì)量和加速度的關(guān)系。為了減少摩擦阻力的影響，實驗中使用了氣墊導(dǎo)軌。使用光電門、電腦通用計數(shù)器及安裝于滑塊上的擋光片可測出滑塊通過兩光電門時的速度和間隔時間，從而得到加速度。由于存在系統(tǒng)誤差，必須對所得結(jié)果作誤差分析。

碰撞在生產(chǎn)實踐中廣泛存在著，例如鍛鐵、打樁等都是碰撞過程，在研究分子、原子、原子核的散射時，在一定意義下，也可看作碰撞過程來處理。碰撞的情況是多種多樣的，作為動量守恒和機械能守恒的應(yīng)用，結(jié)合氣墊實驗，我們只討論二滑塊的正碰。牛頓總結(jié)實驗結(jié)果，提出碰撞定律：碰撞兩球的分離速度與碰撞前兩球接近速度成正比，比值為，叫恢復(fù)系數(shù)，即若則為完全彈性碰撞，為完全非彈性碰撞而一般的非完全彈性碰撞為。實驗?zāi)康恼莆諝鈮|導(dǎo)軌的調(diào)整和電腦通用計數(shù)器的使用方法。了解滑塊與氣墊導(dǎo)軌間空氣層的粘滯力與運動物體速度有關(guān)。從實驗上驗證F=Ma

的關(guān)系式，加深對牛頓第二定律的理解。學(xué)習(xí)最小二乘法（即回歸法）處理實驗數(shù)據(jù)。驗證動能定理。用氣墊導(dǎo)軌研究碰撞過程，并驗證動量守恒定律。通過碰撞前后動能的變化了解完全彈性碰撞、非完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞的特點。牛頓第二定律的驗證碰撞實驗儀器介紹（點擊圖片播放）儀器操作（點擊圖片播放）確定滑塊在氣電導(dǎo)軌上運動阻力的數(shù)量級

A）操作：調(diào)平氣電導(dǎo)軌。

B）記錄數(shù)據(jù)，作曲線。系統(tǒng)總質(zhì)量不變，改變系統(tǒng)所受外力，考察加速度與外力的關(guān)系。

A）操作：

B）

C）用最小二乘法處理數(shù)據(jù)，計算相對誤差。記錄數(shù)據(jù)，作曲線，由斜率得m的實驗值，與質(zhì)量標(biāo)稱值比較，計算相對誤差。實驗內(nèi)容牛頓第二定律的驗證（一）設(shè)置電腦通用計數(shù)器的“功能鍵”于“加速度”，按“轉(zhuǎn)換鍵”選擇檔光片的寬度值。將滑塊放在已通氣的氣墊導(dǎo)軌上，用手輕推滑塊，令其依次通過兩光電門，從電腦通用計數(shù)器上讀出加速度值，重復(fù)做幾次。設(shè)置電腦通用計數(shù)器的“功能鍵”于“加速度”，按“轉(zhuǎn)換鍵”選擇檔光片的寬度值。實驗內(nèi)容牛頓第二定律的驗證（二）系統(tǒng)所受外力不變，改變系統(tǒng)總質(zhì)量，考察加速度與系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)系A(chǔ)）操作：B）

C）用最小二乘法處理數(shù)據(jù)，計算相對誤差?？疾靹幽芏ɡ?/p>

合外力對系統(tǒng)所作的功等于物體動能的增加。只要測出滑塊經(jīng)過光電門P1和P2

的速度，并算出在這一過程中懸掛重物所作的功，即可考察：利用前面系統(tǒng)總質(zhì)量不變情況下的實驗數(shù)據(jù)進行考察。系統(tǒng)狀態(tài)改變時砝碼下落的高度h等于兩光電門之間的距離。

設(shè)置電腦通用計數(shù)器的“功能鍵”于“加速度”，按“轉(zhuǎn)換鍵”選擇檔光片的寬度值。置20.00g的質(zhì)量所受的重力為系統(tǒng)的外力，改變系統(tǒng)質(zhì)量，從電腦通用計數(shù)器上讀出相關(guān)數(shù)據(jù)。記錄數(shù)據(jù)，作曲線，求出斜率，并與系統(tǒng)所受外力F比較，計算相對誤差。實驗內(nèi)容碰撞實驗用實驗室提供的儀器設(shè)計進行完全彈性碰撞、非完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞實驗的方案。自己設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格。驗證上述三種類型的碰撞結(jié)果。注意事項滑塊要輕拿輕放，千萬不能損壞，以免與氣電導(dǎo)軌產(chǎn)生額外的摩擦導(dǎo)致儀器不能使用。為了減小摩擦和保護儀器，輕推滑塊時要沿氣電導(dǎo)軌的軸向平推，不要產(chǎn)生其