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大学物理实验报告-速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证.doc

大学物理实验报告-速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证

张月琦
2017-09-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《大学物理实验报告-速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证doc》,可适用于高等教育领域

大学物理实验报告速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证中国石油大学,华东,现代远程教育实验报告课程名称:大学物理(一)实验名称:速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证实验形式:在线模拟现场实践提交形式:提交书面实验报告学生姓名:学号:年级专业层次:学习中心:提交时间:年月日一、实验目的(了解气垫导轨的构造和性能熟悉气垫导轨的调节和使用方法。(了解光电计时系统的基本工作原理学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。(掌握在气垫导轨上测定速度、加速度的原理和方法。(从实验上验证F=ma的关系式加深对牛顿第二定律的理解。(掌握验证物理规律的基本实验方法。二、实验原理(速度的测量一个作直线运动的物体如果在t~tΔt时间内通过的位移为Δx(x~xΔx)则该物体在Δt时间内的平均速度为Δt越小平均速度就越接近于t时刻的实际速度。当Δt时平均速度的极限值就是t时刻(或x位置)的瞬时速度()实际测量中计时装置不可能记下Δt的时间来因而直接用式()测量某点的速度就难以实现。但在一定误差范围内只要取很小的位移Δx测量对应时间间隔Δt就可以用平均速度近似代替t时刻到达x点的瞬时速度。本实验中取Δx为定值(约mm)用光电计时系统测出通过Δx所需的极短时间Δt较好地解决了瞬时速度的测量问题。(加速度的测量在气垫导轨上相距一定距离S的两个位置处各放置一个光电门分别测出滑块经过这两个位置时的速度v和v。对于匀加速直线运动问题通过加速度、速度、位移及运动时间之间的关系就可以实现加速度a的测量。()由测量加速度在气垫导轨上滑块运动经过相隔一定距离的两个光电门时的速度分别为v和v经过两个光电门之间的时间为t则加速度a为()根据式()即可计算出滑块的加速度。()由测量加速度设v和v为滑块经过两个光电门的速度S是两个光电门之间距离则加速度a为()根据式()也可以计算出作匀加速直线运动滑块的加速度。()由测量加速度还可以根据匀加速直线运动加速度a、位移S(S,x,x)及运动时间t之间的关系式测量加速度。据此计算加速度有多种方法其中一种方法是根据式()由作图法求出加速度。()实验时固定初位置x(光电门的位置)改变不同的末位置x(光电门的位置)使物体(滑块)从静止开始运动测出相应的运动时间t作关系图线。如果是直线说明物体作匀加速运动直线的斜率为。以上介绍了种测量加速度a的方法。具体测量时先把气垫导轨调水平再使滑块在水平方向受到一恒力的作用那么滑块的运动就是匀加速直线运动也可先把气垫导轨调水平然后将其一端垫高h高度使气垫导轨倾斜滑块在倾角为θ的导轨上面下滑其运动也是匀加速直线运动。(验证牛顿第二定律牛顿第二定律所描述的内容就是一个物体的加速度与其所受合外力成正比与其本身质量成反比且加速度的方向与合外力方向相同。数学表述为F=ma()为了研究牛顿第二定律考虑如图所示一个运动物体系统系统由(滑块)和(砝码)两个物体组成忽略空气阻力及气垫对滑块的粘滞力不计滑轮和细线的质量等。图验证牛顿第二定律调节气垫导轨水平后将一定质量的砝码盘通过一细线经气垫导轨的滑轮与滑块相连。设滑块部分的质量为滑块本身所受重力为气垫对滑块的漂浮力为N此二力相平衡滑块在垂直方向受到的合外力为零。滑块在水平方向上受到细线的拉力此力为重物作用于细线所产生的张力T由于气垫导轨和滑块及细线所受的粘滞阻力及空气阻力忽略不计则有()式中a为运动系统的加速度根据式()有()在式()中若令m=mm表示运动物体系统的总质量F=mg表示物体系统在运动方向所受的合外力则式()即为式()F=ma。根据式()验证牛顿第二定律可分为以下两步来完成。()当系统总质量m保持不变时加速度a应与合外力F成正比比值为常数即()实验时在保持总质量m不变的情况下改变合外力Fi=mig即逐次改变砝码盘中砝码的质量测出系统相应的加速度ai。如果在实验误差允许的范围内式()成立()则验证了m不变的情况下a与F成正比。还可以利用上述a和F数据作a,F关系图若为直线则可验证式()即a与F成正比。()当保持系统所受合外力F=mg不变时加速度a的大小应与系统的总质量m=mm成反比即()同样实验时保持合外力F=mg不变改变系统总质量mi=mim即逐次向滑块增加不同重量的质量块测出系统相应的加速度ai。如果在实验误差允许的范围内式()成立()则验证了F不变的情况下a与m成反比。还可以利用上述a和m数据作a,关系图若为直线则可验证式()即a与m成反比。如果式()和式()均被验证则式()即式()得到验证也就是说验证了牛顿第二定律。三、实验器材气垫导轨、光电计时系统、滑块、砝码、质量块(铁块)等四、实验内容、调节气垫导轨和光电计时系统()气垫导轨的水平调节导轨水平状态的调整是正确使用气垫导轨的重要内容许多测量都需要先将导轨调整到水平状态。由于导轨较长用一般的水平仪测量有困难实验中常采用观察滑块的运动情况来判断导轨是否水平。调整气垫导轨水平有一定的难度需要耐心地反复调整常用的调整方法有下列两种。()静态粗调导轨通气后滑块放置在导轨上的实验段内调整用于水平调节的底脚螺丝(图中的“”)直到滑块保持不动或稍有滑动但不总是向一个方向滑动则可认为导轨基本调平。()动态细调先使滑块以中等速度平稳地从左端向右端运动分别记录先后通过两个光电门的时间间隔和仔细调节底脚螺丝使和十分接近。当导轨完全水平时由于滑块与导轨间的粘滞阻力和滑块周围的空气阻力使比稍长一些一般应在第三位读数以下才有差别。再使滑块以同样速度从右端向左端运动分别记录先后通过两个光电门的时间间隔和和也应十分接近。这时可认为导轨调平。()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电脑式数字毫秒计后面板的P及P插口上打开MUJ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电管照明是否充分。(验证物体系统总质量不变时加速度与合外力成正比保证物体系统总质量不变逐步增加砝码盘中砝码的质量改变外力次。每一外力下分别记录滑块经过两个光电门的时间和重复测量次。(验证物体系统所受合外力不变时加速度与总质量成反比保持砝码盘部分的质量不变即合外力不变在滑块上逐步增加质量块改变物体系统总质量次。每一总质量下分别记录滑块经过两个光电门的时间和重复测量次。五、实验数据合外力不变时加速度与系统质量的关系m=gS=mMgtstsVmsVmsa'msamsMkg系统质量不变时加速度与合外力的关系M=gX=mmMgtstsVmsVmsa'msamsFN加速度与系统质量关系加速度与合外力关系六、结论根据数据处理结果可以认为:在误差的范围内实验与牛顿第二定律相符即加速度与合外力成正比与质量成反比。实验分析:实验误差主要来源于以下方面:导轨未完全调水平空气阻力的影响细线、滑轮运动阻力的影响气流波动的影响本地重力加速度近似取cms。砝码的质量误差。空气等各种阻力对实验的影响可能是主要的。因为空气阻力一般与速度的二次方成正比所以实验中拉力不能太大否则加速度大速度增加快空气阻力增加也快但拉力也不能过小否则很小的阻力也会产生较大的影响。

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