大學物理實驗報告-速度、加速度的測定和牛頓運動定律的驗證

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上中國石油大學（華東）現(xiàn)代遠程教育實驗報告課程名稱：大學物理(一)實驗名稱：實驗形式：在線模擬+現(xiàn)場實踐提交形式：提交書面實驗報告學生姓名：蓋克許 學 號：01年級專業(yè)層次： 網(wǎng)絡(luò)18春建筑工程技術(shù)網(wǎng)絡(luò)春高起專學習中心： 東營直屬服務(wù)處1 提交時間： 2018年 11 月 28日一、實驗目的1了解氣墊導軌的構(gòu)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。4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。5掌握驗證物理規(guī)律的基本實驗方法。二、實驗原理1

2、速度的測量 一個作直線運動的物體，如果在tt+t時間內(nèi)通過的位移為x（xx+x），則該物體在t時間內(nèi)的平均速度為，t越小，平均速度就越接近于t時刻的實際速度。當t0時，平均速度的極限值就是t時刻（或x位置）的瞬時速度                                 

3、;    （1）實際測量中，計時裝置不可能記下t0的時間來，因而直接用式（1）測量某點的速度就難以實現(xiàn)。但在一定誤差范圍內(nèi)，只要取很小的位移x，測量對應(yīng)時間間隔t，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x為定值（約10mm），用光電計時系統(tǒng)測出通過x所需的極短時間t，較好地解決了瞬時速度的測量問題。 2加速度的測量 在氣墊導軌上相距一定距離S的兩個位置處各放置一個光電門，分別測出滑塊經(jīng)過這兩個位置時的速度v1和v2。對于勻加速直線運動問題，通過加速度、速度、位移及運動時間之間的關(guān)系，就可以實現(xiàn)加速度a的測量。（1）由測量加速度在氣墊導軌上滑塊

4、運動經(jīng)過相隔一定距離的兩個光電門時的速度分別為v1和v2，經(jīng)過兩個光電門之間的時間為t21，則加速度a為                                       （2）根據(jù)式（2）即可計算出滑塊的加速度。（2）

5、由測量加速度設(shè)v1和v2為滑塊經(jīng)過兩個光電門的速度，S是兩個光電門之間距離，則加速度a為                                      （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

6、度還可以根據(jù)勻加速直線運動加速度a、位移S（Sxx0）及運動時間t之間的關(guān)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）由作圖法求出加速度。                                     &#

7、160; （4）實驗時固定初位置x0（光電門1的位置），改變不同的末位置x（光電門2的位置），使物體（滑塊）從靜止開始運動，測出相應(yīng)的運動時間t，作關(guān)系圖線。如果是直線，說明物體作勻加速運動，直線的斜率為。以上介紹了3種測量加速度a的方法。具體測量時先把氣墊導軌調(diào)水平，再使滑塊在水平方向受到一恒力的作用，那么滑塊的運動就是勻加速直線運動；也可先把氣墊導軌調(diào)水平，然后將其一端墊高h高度，使氣墊導軌傾斜，滑塊在傾角為的導軌上面下滑，其運動也是勻加速直線運動。 3驗證牛頓第二定律 牛頓第二定律所描述的內(nèi)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)量成反比，且加速度的方向與合外力方向相同。

8、數(shù)學表述為 F=ma                                    （5）為了研究牛頓第二定律，考慮如圖1所示一個運動物體系統(tǒng)，系統(tǒng)由（滑塊）和（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。圖

9、1驗證牛頓第二定律調(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。設(shè)滑塊部分的質(zhì)量為，滑塊本身所受重力為，氣墊對滑塊的漂浮力為N，此二力相平衡，滑塊在垂直方向受到的合外力為零?；瑝K在水平方向上受到細線的拉力，此力為重物作用于細線所產(chǎn)生的張力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，則有                       

10、                 （6）式中a為運動系統(tǒng)的加速度，根據(jù)式（6）有                               

11、;     （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以下兩步來完成。（1）當系統(tǒng)總質(zhì)量m保持不變時，加速度a應(yīng)與合外力F成正比，比值為常數(shù)，即                         

12、           （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(yīng)的加速度ai。如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)式（9）成立，                  （9）則驗證了m不變的情況下，a與F成正比。還可以利用上述a和F數(shù)據(jù)作aF關(guān)系圖，若為直線，則可驗證式（8）

13、，即a與F成正比。（2）當保持系統(tǒng)所受合外力F=m2g不變時，加速度a的大小應(yīng)與系統(tǒng)的總質(zhì)量m=m1+m2成反比，即                                    （10）同樣，實驗時保持合外力F=m2g不變，改變系統(tǒng)總質(zhì)量mi=m1i

14、+m2，即逐次向滑塊增加不同重量的質(zhì)量塊，測出系統(tǒng)相應(yīng)的加速度ai。如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)式（11）成立，           （11）則驗證了F不變的情況下，a與m成反比。還可以利用上述a和m數(shù)據(jù)作a關(guān)系圖，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，驗證了牛頓第二定律。 三、實驗器材氣墊導軌、光電計時系統(tǒng)、滑塊、砝碼、質(zhì)量塊（鐵塊）等四、實驗內(nèi)容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

15、確使用氣墊導軌的重要內(nèi)容，許多測量都需要先將導軌調(diào)整到水平狀態(tài)。由于導軌較長，用一般的水平儀測量有困難，實驗中常采用觀察滑塊的運動情況來判斷導軌是否水平。調(diào)整氣墊導軌水平有一定的難度，需要耐心地反復調(diào)整，常用的調(diào)整方法有下列兩種。 （1）靜態(tài)粗調(diào) 導軌通氣后，滑塊放置在導軌上的實驗段內(nèi)，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，則可認為導軌基本調(diào)平。（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

16、阻力，使比稍長一些，一般應(yīng)在第三位讀數(shù)以下才有差別。再使滑塊以同樣速度從右端向左端運動，分別記錄先后通過兩個光電門的時間間隔和，和也應(yīng)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(guān)。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保證物體系統(tǒng)總質(zhì)量不變，逐步增加砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，改變外力5次。每一外力下

17、分別記錄滑塊經(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)量成反比保持砝碼盤部分的質(zhì)量不變，即合外力不變，在滑塊上逐步增加質(zhì)量塊，改變物體系統(tǒng)總質(zhì)量5次。每一總質(zhì)量下分別記錄滑塊經(jīng)過兩個光電門的時間和，重復測量6次。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(guān)系 m=7.97g S=0.5000mM/gt1/st2/sV1/ms-1V2/ms-1a'/ms-2a/ms-2M/kg250.90 33.8 15.1 0.283 0.632 0.320 0.311 0.251 300.90 39.2 16.9 0.244 0.565 0.260 0.260

18、0.301 350.90 47.3 18.7 0.202 0.511 0.220 0.223 0.351 400.90 73.2 20.5 0.130 0.466 0.200 0.195 0.401 450.90 82.5 22.3 0.116 0.428 0.170 0.173 0.451 500.90 134.7 24.1 0.071 0.396 0.152 0.156 0.501 系統(tǒng)質(zhì)量不變時加速度與合外力的關(guān)系 M=253.9g X=9.550mmM/gt1/st2/sV1/ms-1V2/ms-1a'/ms-2a/ms-2F/N5.97 34.0 17.2 0.281 0.556 0.230 0.230 0.059 6.97 31.4 15.6 0.304 0.610 0.280 0.269 0.068 7.97 29.3 15.0 0.326 0.637 0.300 0.308 0.078 8.97 27.5 13.9 0.347 0.686 0.350 0.346 0.088 9.97 26.1 13.3 0.366 0.717 0.380 0.385 0.098 10.97 25.0 12.7 0.382 0.752 0.42