大学物理实验一牛顿第2定律的验证.doc

实验 牛顿第二定律的验证 一、实验目的 1、熟悉气垫导轨的构造，学习正确的调整方法；2、进一步熟悉用光电计时系统测量短时间的方法，从而学会测物体运动的速度和加速度；3、验证牛顿第二定律。 二、实验仪器用具 气垫导轨，数字毫秒计，两个光电门，滑块，砝码及砝码托盘，气源。 1、气垫导轨部件 如图2-1所示，各部件如下：1）缓冲弹片，2）光电管与小聚光灯，3）光电门架，4）喷气小孔，5）挡光片，6）滑块，7）导轨，8）气垫滑轮，9）垫片，10）调平螺丝（横向），11）堵头，12）双头螺栓，13）座底，14）调平螺丝（纵向），15）进气嘴。 （1）导轨 由长1.22米的三角形铝管制成，要求平直度较高，轨面经过精密加工，打磨平滑，两侧各有两排相互错开、等间隔、孔径为0.4~0.8mm的小孔，导轨一端封死，另一端装有进气嘴，压缩空气由这里进入管腔后，从小孔喷出。导轨两端还装有缓冲弹簧，有的导轨一端有气垫滑轮。整个导轨通过一系列直立的双头螺栓安装在工字钢梁制成的底座上，底座下面有三个底座螺钉可供调水平用。 （2）滑块 由1030cm长的角铝制成，内表面经过细磨，与导轨两个侧面精确吻合。 （3）计时装置 由数字毫秒计与光电门组成，使用方法见实验3和实验4。 （4）气源 一般小型气源使用吹尘器，要求气压稳定、流量适当、消音减振及空气滤清。滑块以托起100200μm为宜。 2、气垫工作原理 滑块为什么能漂浮？是因为有气垫效应。滑块与轨面都经过精细加工，可以很好地吻合。当导轨中小孔喷出空气流后，在滑块与导轨之间形成一个薄空气层——气垫，在滑块边缘，不断有空气逸出，同时小孔又不断向气垫补充空气，使气垫得以维持存在。这是一个简单的耗散结构。我们可以近似地把气垫看成密闭气体，在其中应用帕斯卡定律，小孔中的压强等量地传递到气垫各处，由于滑块与气垫接触面积大，受到很大的压力（方向向上），所以被托起漂浮。因此，滑块并不是被气流吹起来的，而是被气垫托起的。 3、使用气垫导轨的注意事项 （1）要保持气垫导轨表面的平直度和光洁度，不允许用任何东西敲碰轨面（特别注意光电门、滑块等组件的碰击）。 （2）滑块在出厂前一般都是与导轨配套加工，因此，使用时不要随意调换。 （3）为避免滑块与气轨擦伤，必须做到：实验时先接通气源后放滑块；实验完毕，先取滑块再关气源。 （4）实验前用少许酒精擦洗轨面与滑块内表面；通气后用小绸条检查是否有小孔堵塞，如有堵塞，用直径0.3mm的钢丝细心插通，注意不要擦毛孔口。 （5）导轨应放在固定坚实的平台上，调整后不再移动。 三、实验原理 牛顿第二定律F＝ma可从两方面来验证：物体质量m为常数时，它所获得的加速度a与所受合外力F成正比；当合外力F为常数时，物体获得的加速度a与该物体质量m成反比。 将水平气轨上的滑块用细线与砝码盘相连在滑块上（图2-2），如果不计各种摩擦力与细线的质量，则滑块、滑轮、砝码盘运动系统满足方程： 式中G为作用在运动系统上的合外力（阻力不计，G就是重力），m为滑块质量，M为砝码总质量，m0为砝码质量，I/r2为滑轮的折合质量（I、r分别为滑轮转动惯量和半径），令M＝，全部放在滑块上。然后，测出在砝码盘的重力m0作用下运动系统的加速度a1；再在滑块上取下M/9（即m0）的砝码加在砝码盘上，测出在2m0作用下，运动系统加速度a2；再逐次在滑块上取下M/9砝码依次加在砝码盘上，测出每次的加速度a3，a4，，a10由此数据进行上述第1项验证。如果不改变作用在系统上的合外力F（即重力G），只改变滑块的质量m（可以增减放在滑块上的砝码，或两滑块用橡皮泥串联），测出运动系统每改变一次质量时所对应的加速度由数据再进行上述第2）项的验证。 关于运动加速度和运动速度的测量，我们作以下考虑： 让两个光电门1、K2相距（图2-3）。设滑块通过K1时瞬时速度为v1，通过K2时为v2，则v22- v12＝2a。a即为此时的加速度。 再看图2-4，挡光片的挡光部分宽度为d1、d3（d1＝d3），透光缺口宽度为d2。当滑块向右运动时，如用数字毫秒计S2档计时，则挡光片第1条边通过光电门时，第一次遮光，开始计时；第3条边通过时，第二次遮光，结束计时。于是，测得与d1＋d2距离相对应的时间间隔t。当d1＋d2时，可认为（d1＋d2）/t为待测的瞬时速度。如果测出通过1的时间t1和通过K2的时间t2，即得 （2.1） 而且 （2.2） 四、实验内容和步骤 1、气垫导轨的调平与挡光练习。 首先学习气垫导轨用法，通气后将滑块放在导轨上3-5个等间距点位置上，如果滑块基本上都不动或只作任一方向的匀速运动，则导轨已经调