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文檔簡介
1、中國石油大學(xué)(華東)現(xiàn)代遠程教育實驗報告課程名稱:大學(xué)物理(一)實驗名稱:速度、加速度的測定和牛頓運動定律的驗證實驗形式:在線模擬+現(xiàn)場實踐提交形式:提交書面實驗報告學(xué)生姓名: 楊健 學(xué) 號: 年級專業(yè)層次 網(wǎng)絡(luò)12秋化工工藝高起專 學(xué)習(xí)中心: 臨淄教育中心教學(xué)服務(wù)站 提交時間: 2013 年 6 月 20 日一、實驗?zāi)康?了解氣墊導(dǎo)軌的構(gòu)造和性能,熟悉氣墊導(dǎo)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(xué)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(dǎo)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
2、驗原理1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(dāng)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、#160; (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(dǎo)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(dǎo)
4、軌上滑塊運動經(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
5、。(2)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
6、測量加速度還可以根據(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、0; (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(dǎo)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(dǎo)軌調(diào)水平,然后將其一端墊高h高度,使氣墊導(dǎo)軌傾斜,滑塊在傾角為的導(dǎo)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
8、向相同。數(shù)學(xué)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
9、等。圖1驗證牛頓第二定律調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平后,將一定質(zhì)量的砝碼盤通過一細線經(jīng)氣墊導(dǎo)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(dǎo)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、60; (6)式中a為運動系統(tǒng)的加速度,根據(jù)式(6)有
11、60; (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(dāng)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(dāng)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。 4判定實驗與理論是否相符 根據(jù)實驗數(shù)據(jù),計算加速度a實驗值的不確定度和理論值的不確定度,如果式(12)成立, &
15、#160; (12)則說明實驗驗證了理論;否則,實驗不能驗證理論,應(yīng)查出原因。式(12)中的就是允許的實驗最大誤差可能范圍。三、實驗器材氣墊導(dǎo)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(dǎo)軌和光電計時系統(tǒng)調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平,達到細調(diào)水平要求,即滑塊往返一次。調(diào)整光電計時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。具體調(diào)節(jié)方法請參閱附錄一和附錄二。2驗證物體系統(tǒng)總質(zhì)量不變時加速度與
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