验证牛顿第二定律参考实验报告

《验证牛顿第二定律》参考实验报告

实验目的

1熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。

2?熟悉光电计时系统的工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。

学会测量物体的速度和加速度。

4 ?验证牛顿第二定律。

实验仪器

气垫导轨，气源，通用电脑计数器，游标卡尺，物理天平等。

实验原理

牛顿第二定律的表达式为

F = ma (1 — 1)

验证此定律可分两步

验证m —定时，a与F成正比。

验证F —定时，a与m成反比。

把滑块放在水平导轨上。滑块和砝码相连挂在滑轮上，由砝码盘、滑块、砝码和滑轮

组成的这一系统，其系统所受到的合外力大小等于砝码(包括砝码盘)的重力 W减去阻力,

在本实验中阻力可忽略，因此砝码的重力 W就等于作用在系统上合外力的大小。系统的质

量m就等于砝码的质量 mi、滑块的质量 m2和滑轮的折合质量 古的总和，按牛顿第二定律

W (m1 m2 -I2)a (1 — 2)

r

在导轨上相距S (系统默认S=50cm)的两处放置两光电门 ki和k2,测出此系统在砝码 重力作用下滑块通过两光电门和速度 vi和V2,则系统的加速度a(可有光电计时器直接读出)

等于

2 2_ V Va2S

2 2

_ V V

a

2S

在滑块上放置双挡光片，同时利用计时器测出经两光电门的时间间隔，则通过 电门的速度为(用卡尺测出遮光片两挡光沿的宽度 器直接读出)

(1 — 3)

2个光

d , d 1cm)(速度可有光电计时

(1 — 4

(1 — 4)

图1 — 1

TOC \o "1-5" \h \z d d

V p2 f

L1 2

其中d为遮光片两个挡光沿的宽度如图 1 — 1所示。在此测量中实际上测

定的是滑块上遮光片(宽 d )经过某一段时间的平均速度，但由于 d较

窄，所以在 d范围内，滑块的速度变化比较小， 故可把平均速度看成是滑

块上遮光片经过两光电门的瞬时速度。同样，如果 t越小(相应的遮光片

宽度d也越窄)，则平均速度越能准确地反映滑块在该时刻运动的瞬时速 度。

实验步骤

1 ?调好光电计时器，调整气垫导轨水平

(1)首先检查计时装置是否正常。将计时装置与光电门连接好，要注意套管插头和插 孔要正确插入，将两光电门按在导轨上， 利用功能键调到加速度， 利用转换键调至显示速度 和加速度。双挡光片第一次挡光开始计时， 第二次挡光停止计时就说明光电计时装置能正常

工作;

（2）给导轨通气，并检查气流是否均匀；

（3 ）选择合适的挡光片放在滑块上，再把滑块置于导轨上；

（4 ）调节导轨底座调平螺丝，使其水平。只要导轨水平，滑块在导轨上的运动就是匀 速运动，只要是匀速运动，滑块经过两光电门的速度相等。

2 ?验证牛顿第二定律

（1） 保证系统的总质量不变时，验证加速度与外力的关系。

1） 调整气垫导轨，让质量为 m2滑块能在气垫导轨上作匀速运动。将两个光电门置于 相距S （系统默认S=50cm）的位置上；

2） 把系有砝码盘的轻质细线通过滑轮和滑块相连，在滑块上放置多个质量为 m的砝

码，用天平测得系统的总质量 m,从光电计时器读出加速度 ai；

3） 依次从滑块上取下质量为 m的砝码加至砝码盘中，分别读出加速度 a2 , a3, a4…。

4） 用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的线性关系。

（2） 保持外力不变（即砝码盘与砝码的总质量不变） ，改变滑块质量，研究系统质量 与加速度的关系。

1） 调节两光电门之间的距离合适；

2） 令托盘和它上面的砝码的质量 mi不变，改变滑块的质量 m2,在滑块上每次增加 m 砝码，测出a 。

3） 通过在滑块上增加砝码，多次改变滑块的质量，分别测量对应 a，用作图法处理数

据，验证加速度与质量之间的反比关系

实验数据记录及处理

1测量数据记录与处理。

系统的总质量 M不变,M=（滑块，滑块上的砝码，托盘，托盘上的砝码，绳子等组成 ）

表1

F ( N)

a (cm/s2)

利用描点法作图：以a, F分别为横坐标、纵坐标作图（成线性关系，应为一直线） 保持外力不变，改变质量

F=（即托盘与托盘上砝码的总质量不变，它们受的重力）

表2

M(g)

1/M

a (cm/s2)

利用描点法作图：以a, 1/M分别为横坐标、纵坐标作图（成线性关系，应为一直线）

实验结论

加速度与外力之间成线性关系。

2．加速度与质量的倒数之间成正比关系。

　（加速度与质量之间的反比关系）

实验中的注意问题

1、 光电计时器一定要调到加速度、并通过转换键调到显示速度和加速度

2、 光电门之间距离要调到 50cm, 选择合适的遮光片。

3、 气垫导轨使用前一定要调水平

4、 第二定律中的质量一定不要认为是滑块的质量，让总质量保持不变时，不要再向运动系 统中添加砝码。

5、 作图要使用 铅笔 ，先描点，描点要清晰，然后使用直线连接各点（或平均分布于直线两 侧，严重偏离的数据剔除） 。

思考题

1． 实验中如果导轨未调平，对验证牛顿第二定律有何影响，得到的图将是什么样的？图线 偏移原点

2． 如何尽量减小误差？气垫导轨要尽可能水平等

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