利用气垫导轨验证牛顿第二定律实验报告.docx

1、利用气垫导轨验证牛顿第二定律实验报告利用气垫导轨验证牛顿第二定律实验报告中国石油大学华东利用气垫导轨验证牛顿第二定律【摘要】:气垫导轨是为研究无摩擦现象而设计的力学实 验设备，在导轨表面分布着许多小孔，压缩空气从这些小孔中 喷出，在导轨和滑块之间形成了月O.lrnm厚的空气层，即气 垫，由于气垫的形成，滑块被托起，使滑块在气垫上作近似无 摩擦的运动。利用气垫导轨，再配以光电计时系统和其他辅助 部件，可以对做直线运动的物体（即滑块）进行许多研究，如 测定速度、加速度、验证牛顿第二定律，研究物体间的碰撞， 研究简谐运动的规律等。【关键词】气垫导轨、通用计数器、测速的试验方法、牛顿第二定 律、控制变

2、量法、导轨调平实验回顾【实验目的】1.熟悉气垫导轨和MUJ-613电脑式数字毫秒计的使用方 法。2.学会测量滑块速度和加速度的方法。3.研究力、质量和加速度之间的关系，通过测滑块加速 度验证牛顿第二定律。【实验原理】(-)仪器使用原理1.气垫导轨如图4-1所示，气垫导轨是 一种摩擦力很小的实验装置，它利用从导轨表面小孔喷出的压 缩空气，在滑块与导轨之间形成很薄的空气膜，将滑块从导轨 面上托起，使滑块与导轨不直接接触，滑块在滑动时只受空气 层间的内摩擦力和周围空气的微弱影响，这样就极大地减少了 力学实验中难于克服的摩擦力的影响，滑块的运动可以近似看 成无摩擦运动，使实验结果的精确度大为提高。图4

3、-1气垫导轨装置图2. MUJ-613电脑式数字毫秒计在用气垫导轨验证牛顿第 二定律实验中，我们采用MUJ-613电脑式数字毫秒计测量时 间。利用它的测加速度程序，可以同时测量出滑块通过两个光 电门的时间及滑块通过两个光电门之间的时间间隔。使用计数器时，首先将电源开关打开(后板面)，连续按 功能键。使得加速度功能旁的灯亮，气垫导轨通入压缩空气 后，使装有两个挡光杆的滑块依次通过气垫导轨上的两个光电 门计数器按下列顺序显示测量的时间：显示字符含单位1通过第一个光电门的速度cm/s （亮）XX. XX2通过第二个光电门的速度cm/s （亮）XX. XX12在第一和第二个光电门之间运动的加速度cm/

4、s2（亮）XX. XX若不是要求的单位亮则按转换键即可显示要求的单位。（二）验证牛顿第二定律实验原理验证性实验是在已知某一理 论的条件下进行的。所谓验证是指实验结果与理论结果的完全 一致，这种一致实际上是实验装置、方法在误差范围内的一 致。由于实验条件和实验水平的限制，有时可以使实验结果与 理论结果之差超出了实验误差的范围，因此验证性实验是属于 难度很大的一类实验，要求具备较高的实验条件和实验水平。 本实验通过直接测量牛顿第二定律所涉及的各物理量的值，并 研究它们之间的定量关系，进行直接验证。1.速度的测量悬浮在水平气垫导轨上的滑块，当它所受 合外力为零时，滑块将在导轨上静止或作匀速直线运动。

5、在滑 块上装两个挡光杆如图4-2所示，当滑块通过某一个光电门 时，第一个挡光杆挡住照在光电管上的光，计数器开始计时， 当另一个挡光杆再次挡光时，计数器计时停止，这样计数器数 字显示屏上就显示岀两个挡光杆通过光电门的时间Delta; to图4-2滑块如果两个挡光杆轴线之间的距离为Delta; L ,可以计算 出滑块通过光电门的平均速度v为：tLv（1-1）由于Delta; L比较小（1cm左右）,在Delta; L范围 内滑块的速度变化很小，所以可把v看做滑块经过光电门的 瞬时速度。2加速度的测量在气垫导轨上，设置两个光电门，其间 距为S。使受到水平恒力作用的滑块（做匀加速直线运动） 依次通过这

6、两个光电门，计数器可以显示出滑块分别通过这两 个光电门的时间Delta; t 1、Delta; t 2及通过两光电门 的时间间隔Delta; t。滑块滑过第一个光电门的初速度为v 1二ltL ,滑块滑过第二个光 电门的末速度为v 2二2tL ,则滑块的加速度为：tv va 1 2或Sv va22122(1-2)3.验证牛顿第二定律按照牛顿第二定律，对于一定质量 M的物体，其所受的合外力F合和物体获得的加速度a 之间的关系如下：F 合二 M a(1-3)验证此定律可分为两步：(1)验证物体的质量M 定 时，其所受合外力F合和物体的加速度a成正比；(2) 验证合外力F合一定时，物体的加速度a的大小

7、和其质 量M成反比。若实验中所用滑块质量为m 1 ,祛码盘和耘码的质量为 m 2 ,则该系统的总质量M二m 1 + m 2，该系统所受的合 外力的大小F二m 2 g ,则有：F 二 Ma（1-4）【实验仪器】气垫导轨，滑块，MUJ-613电脑式数字毫秒计，舷码。【实验步骤】（-）调节光电计时系统 将气垫导轨上的两个光电门引 线接入MUJ-613电脑式数字毫秒计后面板的P 1及P 2插口 上，打开MUJ-613电脑式数字毫秒计电源开关。将气垫导轨气 源接通，用适当的力推动滑块一下，使它依次通过两个光电 门，看MUJ-613电脑式数字毫秒计是否能正常记录时间，若不 正常请检查挡光杆是否挡光及检查光

8、电管照明是否充分。（二） 调节气垫导轨水平1.静态调平（粗调）调节导轨底脚螺丝使滑块在导轨上无定向的自然运动，也就是滑块能静止在导轨上，可以认为导轨被初步调平。2.动态调平（细调）用适当的力推动滑块一下，使它依次通过两个光电门，要 求滑块通过两个光电门的时间Delta; t 1和Delta; t 2相 对差异小于l%o否则应继续调节导轨底脚螺丝，直至达到要 求。（三） 验证牛顿第二定律1.物体系的总质量M 定， 验证外力与加速度成正比（1）在导轨上固定两个光电门，将线 一端系在滑块上，另一端通过气垫滑轮与耘码盘相连。在滑块上放置两个祛码，祛码盘上放一个耘码，舷码盘自身质量为 5go滑块置于远离

9、气垫滑轮的导轨另一端，由静止释放，在祛 码盘及一个耘码所受重力作用下，滑块作匀加速直线运动，由 计数器测量出加速度a 1 o重复测量三次（注意：滑块释放 的初始位置必须一致，靠近气垫滑轮的光电门安放位置要合 适，防止滑块尚未通过此光电门而舷码盘已落到地面上）。（2） 将一个舷码从滑块上取下，放入耘码盘中，重复上述 实验步骤，测岀滑块加速度a 2 o（3） 再将滑块上的另一个耘码取下，也放入耘码盘中（盘 中耘码总数为3个），仍然重复上述实验步骤，测岀滑块加速 丿艾a 3 o记录m 1 , m 2禾口 M的值，计算岀作用力F 1、F 2和F 3 （ m 2指祛码盘及盘中祛码的质量之和，M为 滑块、

10、舷码盘及盘中舷码的质量之和）。2.物体系所受外力F 定，验证物体系的质量与加速度 成反比（1）在耘码盘中放入一个耘码，测岀在此作用力下，质 量为m 1的滑块运动的加速度a o（2）保持耘码盘中的耘码不变（外力一定），将一质量为 m 1 prime;的祛码放在质量为m 1的滑块上，测出在此作用 力下，滑块组运动的加速度a prime; o第7页共io页 以上测量重复进行三次。记录m 2的值并求出物体系的总质量M和M prime; o【数据处理】1 保持系统合外力F不变，改变系统总质量M,验证 aamp;1/M,即 Ma=F,两光电门之间距离S二50cm当光片宽度l=lcmM：祛码1只+祛码盘Ml

11、：小滑块+祛码1只+祛码盘+挡光片+套钩+钩+固定螺 钉3只M2： M1+配重块2个+固定螺钉2只M3： M2+配重块 2 个 M2=10. 27gF二m2*g=0 1006N系统质量/g加速度/cm/sJ加速度平均值/cm/sJ力F/N Fi与F比较（百分误差）Ml二 182.44 51. 19 51. 11 0. 0932 7% 50. 95 51.20M2=288. 89 32. 79 32. 70 0. 0945 6% 32. 82 32. 49 M3二388. 97 21. 18 21. 14 0. 0892 11% 21. 15 21. 10 系统合外力不变,加 速度与系统质量关系

12、 01020304050600 50 100 150 200 250 300 350 400 450系统质量加速度加速度线性（加速度）2保 持系统总质量不变，改变系统的合外力F的大笑，验证F正 比丁- a两光电门之间距离s=50cm,挡光片宽度l=lcm系统 总质量M=87. OOg m2/g加速度a/cm*s八-2 12 3平均值m 21 二祛码盘质量 5.26 0. 0438 0. 0435 0. 0432 0. 0435 m 22=m21+l 只祛码质量 10. 27 0. 0970 0. 0974 0. 0976 0. 0973 m 23=m21+2 只祛码质量 15. 28 0. 1

13、468 0. 1466 0. 14440. 1460 m 23=m21+3 只祛码质量 20. 29 0. 1941 0. 19350. 1949 0. 1942 m 24=m 21+4 只祛码质量 25. 30 0. 24510. 2500 0, 2480 0. 2477系统质量不变，系统合外力与加速度关系00. 050. 10. 150. 20. 250. 30 50 100 150 200 250 300 系统所 受合外力加速度加速度线性（加速度）【实验误差讨论】1.空气阻力的影响，滑块运动的过程中总会受到空气阻 力的影响，无法到达理想状况。2.做实验时温度气压等外在因素的影响，使得g的

14、理论 值不是那么准确3.验证牛顿第二定律时，舷码盘的质量因为 不可直接放到天平上称量，可能不是那么准确4.实验存在系 统误差和读书上的误差【实验优点】1.实验中采用气垫导轨大大减小了实验的摩擦误差，这 样能够使实验数据更准确。2.试验中分别从质量一定，控制力的大小和力的大小一 定，质量改变做运动来实施实验，更加增加了实验的准确性和 全面性。【小结】做实验时，挡光片的选择需要根据第一组数据中的误差关 系来选择。实验过程中要讲究细心、耐心，千万不可心浮气躁，值得 一提的是在气垫导轨调平的时候要仔细观察，分为粗调和细调 使得滑块静止或者左右微微摆动，细调要使tlt2. o实验过后，需要掌握气垫导轨的调整与使用，通用计数器 的基本功能与使用方法，气垫导轨上测速度和加速度的试验方 法。验证牛顿第二定律（选择合理的实验方案和数据处理方法 验证物理定律，体会物理实验中需要严谨的作风和科学的方 法）。