实验2.4牛顿第二定律的验证.doc

实验2.4 牛顿第二定律的验证实验目的1、学习气垫导轨的调节与使用；2、熟悉光电门、数字计时器的使用；3、研究力、质量和加速度之间的关系，验证牛顿第二定律。实验仪器气垫导轨，数字计时器或电脑通用计数器，托盘天平，微音洁净气泵等。实验原理验证性实验都是在某一理论结果已知的条件下进行的,所谓验证是指实验的结果和理论结果完全一致，但这种一致实质上是在实验装置、方法存在误差范围内的一致，若实验结果与理论结果之差超出了实验误差的范围，则不能说验证了理论的正确性，此时或者否定验证方法的可靠性，或者怀疑理论本身的正确性，但无论怎样由一次实验或一种实验装置得出这种结论都是非常困难的，要做大量的对比实验才能得到科学正确的结论，切不可草率地下结论即使实验结果与理论结果之差在实验的误差之内，也不能武断地认为一定验证了理论的正确性往往随着实验水平的提高而发现了理论上的不足之处，从而推动了理论工作的不断发展因此验证性实验是属于难度很大的一类实验验证性实验可分两大类：一是直接验证，一是间接验证本实验属于直接验证，所谓直接验证是对理论所涉及的物理量都能在实验中直接测定，并能研究它们之间的定量关系牛顿第二定律指出，对于一定质量的物体，其所受的合外力F和物体所获得的加速度之间存在如下关系： （2-3-1）为了研究问题的方便，实验分两步进行：当保持物体的质量不变时，研究加速度与合外力之间关系；当保持物体所受的合外力不变时，研究加速度与物体质量之间关系。图2-3-1取滑块质量为，砝码和托盘的质量为，细线（不可伸长）为一力学系统，如图2-3-1所示，为细线中的张力。则有： （2-3-2）则系统受合外力为： （2-3-3）令，得 （2-3-4）气垫导轨是为消除摩擦而设计的一种力学仪器，它利用气源将压缩空气打入导轨腔中，导轨表面的气孔喷出的压缩气流，使导轨表面和滑块之间形成一层非常薄的“气垫”，将滑块托起，这样可以认为滑块在导轨表面上的运动看成近似无摩擦的直线运动。实验内容与步骤一、实验前准备1、接通数字计时器，安装光电门，使光电门之间相距50cm。2、调水平气垫导轨（阅读仪器说明）：接通气源，把滑块放在导轨某处，用手轻轻地把滑块放在导轨上放开，调节水平螺钉，使滑块能在导轨上静止；或稍有滑动，但不总是向同一方向滑动即可；或将气轨与毫秒计配合进行调平，接通电源，毫秒计功能选择在“”档，让滑块以一定的速度运动，通过两个光电门的速度相对不确定度不超过3%即可。3、用酒精擦洗气垫导轨表面。4、滑块两端装上挂钩架，将拴在砝码桶上的细线，跨过滑轮上的方孔挂在滑块的座架上，连线长度保证砝码桶刚着地，滑块要能通过靠近滑轮一侧的光电门。5、在数字计时器上选择相应的功能。二、质量一定，研究加速度与力之间的关系1、保持M不变；2、改变力F四次：每次从滑块上取下一个砝码，放在砝码桶（或砝码托盘上），注意不能超过砝码桶最大限量。3、每改变一次力，滑块从同一位置静止释放，测加速度4次，记下每次加速度的值。4、记录各数据于表2-3-1中。(三)作用力一定，研究加速度与质量的关系1、拉力一定（如加3个砝码）；2、改变滑块的质量四次，记下加速度的值。3、每改变一次质量，滑块从同一位置静止释放，测加速度4次，记录每次加速度的值。填入数据记录表2-3-2中。数据记录及处理一、质量保持不变， = 。 表2-3-1 次数 () ()() ()()1、根据此表数据在坐标纸上作出；2、根据所画曲线，得出什么样的结论。3、对结论作出分析。二、保持力不变， = 。 表2-3-2 次数 () ()() ()()1、根据此表数据在坐标纸上作当曲线，得出结论：2、根据所画曲线，得出什么样的结论。3、对结论作出分析。注意事项1、先调平气垫导轨，通气后放滑块，结束时先取下滑块，后关掉气源，不应长时间供气，以免气源温度过高，缩短使用寿命；2、两滑块碰撞要作对心碰撞，切勿斜撞，防止滑块从气垫导轨上掉下；3、挡片必须通过光电门进行挡光，才能计时；4、改变滑块质量时，应对称地加减配重块。仪器介绍（一）气垫导轨一、气垫导轨简介气垫导轨装置如图2-3-2所示。图2-3-2 气垫导轨示意图气垫导轨是一根方形(或三角形)铝合金型材结构的管体，全长约1 580mm，两个轨面互成直角，经过精细加工，有较高的平直度和表面光洁度，每个轨面上均匀分布着直径为0.6mm的喷气孔。气泵将压缩空气从导轨一端的进气管送入，空气通过导轨表面的喷气孔向外喷射，在滑块与导轨之间形成一定厚度的“气垫”，将滑块托起，使滑块能在导轨上做近似无摩擦的运动。这是因为气垫导轨内腔的压缩空气通过导轨面上的喷气孔作用于滑块下部，在滑块的上下部间便形成了一定的压力差，这个压力差超过滑块本身的自重时，滑块便浮起，滑块与导轨之间就形成了气膜，气膜内的气体向四周流出使其气压降低，当滑块上下部的压力差等于滑块自重时，气膜厚度就保持在一定的数值。一般气膜厚度大约在10200m之间。气膜厚度取决于气垫导轨的制造精度、滑块的重量和气源流量的大小；而气膜厚度过大时，滑块在运动时会产生左右摇摆现象，使测量的数据不够准确。二、气垫导轨的主要附件1、滑块：共三个，装有碰簧、挡光片夹等，它与导轨配套使用，不可随意调换。滑块两端的弹簧与气垫导轨端座的弹簧，校准到发生对心碰撞。如果碰撞偏斜，滑块运动时就会左右摇摆，造成能量损失，产生较大的实验误差。2、挡光片：挡光片安装在滑块上，随滑块一起运动。当经过光电门时，挡光片阻挡光电门的光路，使数字计时器 “开始计时”或“停止计时”。挡光片形状有，“U”型（开口）和条形（不开口）两种，如图2-3-3所示。挡光片的宽度d，对于“U”型挡光片是第一前沿到第二前沿的距离，即“1”和“3”之间的距离；对于条形挡光片即为其宽度。 1234d d (a) (b) 图2-3-3 (a)“U”型挡光片；(b)条形挡光片3、光电门：共两个，内装发光二极管及光敏二极管，能将挡光信号转换为电信号，用来控制数字计时器的“开始计时”或“停止计时”。4、气垫滑轮：滑轮的表面上有喷气孔，喷出的气流在滑轮表面与跨在表面上的胶带之间形成气垫，使胶带在滑轮面上做无摩擦的滑动。5、碰簧：位于导轨面的两端。当滑块上的碰簧与之相撞时起缓冲作用。6、高度调节旋钮：用于调节导轨左右、前后水平。7、进气管：气源和气垫导轨相连接的波纹管，将一定压强的气流输进导轨内部。8、标尺：固定在导轨上用来指示光电门、滑块的位置及间距等。9、配重块：每组八块，每块质量为(25.00.5)g，用以调节滑块的质量。 三、气垫导轨使用注意事项1、气垫导轨的导轨面与滑块的工作面必须保持平整、清洁；在使用、搬动和存放时，都应谨防碰伤，切勿在导轨上压、划、敲击，以免损坏。2、使用之前，用酒精棉球擦拭轨面和滑块的工作面，不应留有灰尘和污垢，并检查气流是否全部畅通如有气孔堵塞，可用直径0.5mm的钢丝疏通。3、在气源不供气的情况下，不得在导轨面上推动滑块，以防划伤气垫导轨和滑块的工作面，影响正常实验。4、实验完毕应先取下滑块，再关闭气源更换或调节滑块上的附件时，也必须将滑块从气垫导轨上取下再调节，并要注意轻拿轻放。（二）JO201-CC存储式数字计时器一、JO201-CC存储式数字计时器简介1、前面板示意图JO201-CC存贮式数字计时器面板示意图，如图2-3-3所示。1)数据显示窗口 2)单位显示 3)功能选择显示 4)功能选择键5)清零键 6)停止键 7)6V/同步键 8) 电源开关图2-3-4 JO201-CC存贮式数字计时器面板2、后面板示意图后盖示意图说明见图2-3-4。1)保险管座 2)外接地线接线柱 3)自由落体接口插座4)档光片宽度选择开关 5)电源输入插头线 6)直流稳压电源输出7)时标输出 8)2号光电门输入插座 9)1号光电门输入插座；图2-3-5 后盖示意图二、操作使用1、开机后自动进入自检状态，循环顺序如下：开机或按功能键选择自检功能，都将进入自检状态；当光电门无故障时，屏幕循环显示各显示器件，当光电门发生故障(如：接触不良、损坏、遮挡光电门或光电门输入电路出现故障等)时，屏幕将闪烁着该光电门的号码，不做循环显示工作。这时，必须先排除故障，程序才能继续运行。2、功能键的选择1) “C”计数：用挡光片对任意一个光电门挡光一次，屏幕显示就累加一个数。按停止键，立即锁存原值，停止计数。按清零键，清除所有实验数据，可重新做实验。2) “S1”挡光计时：用挡光片对任意一个光电门依次挡光，屏幕将依次显示出挡光次数和挡光时间。可连续做1-255次实验，但只存储前10个数据。按停止键后，立即进入循环显示存储的数据状态。按清除键，清除所有实验数据，可重新做实验。3) “S2”间隔计时：用挡光片对任意一个光电门依次挡光，屏幕将依次显示挡光间隔的次数、挡光间隔的时间。可连续作1-255次实验，只存储前10个数据，按“停止”健后，先依次显示测量的间隔时间数据，再依次显示与之对应的速度数据，并反复循环。按“清零”键清除所有实验数据，可重新做实验。5) “T”测振子振动周期：用弹簧振子或单摆振子配合一个光电门和一个挡光片做实验(挡光片宽度不小于3mm)。在振子上粘上轻小的挡光片，使挡光片通过光电门。屏幕仅显示振动次数，当完成了第n(1-255任选)个振动(即屏幕显示出n+1)之后，立即按停止健。这时，屏幕便自动循环显示n个振动周期和n次振动时间的总和。当n10时只显示前10个振动周期和前10次振动时间的总和。按清零健，清除所有实验数据，可重新做实验。6) “a”测加速度：测运动物体的加速度实验。运动物体上的挡光片通过两个光电门之后自动进入循环显示：1：滑块第一次通过光电门的时间；2：滑块通过二个光电门的间隔时间；3：滑块第二次通过光电门的时间；v1：滑块通过第一个光电门时的速度；v2.：滑块通过第二个光电门时的速度；a：滑块从第一个光电门到第二光电门之间的运动加速度。如此反复循环显示上述6个数据。按清零键，清除所有实验数据，可重新做实验。7) “g”测重力加速度：配合自由落体实验仪作实验。(1)操作a.把自由落体实验仪的光电门插头插入后盖上的自由落体插座。b.拔下1号光电门插座上的光电门和2号光电门插座上的光电门。c.接上220V交流电源，打开电源开关。d.按功能键，选择“g”档。e.把6V/同步键拔到“6V”处，这时自由落体实验仪的电磁铁电源被接通，吸住钢球。f.按清零键，消除所有数据。g.把6V/同步键拔到“同步”处，电磁铁断电，钢球释放，计时器同步计时。h.待钢球通过其中一个光电门后，实验即自行结束，自动进入循环显示2个实验数据。(2)实验数据a.钢球自0cm处下落到光电门时所用的时间。b.钢球通过光电门的时间。按清零键，清除所有实验数据，又可重新做实验。注意:自由落体的实验只需要一个光电门，但另一个光电门必须保持光照状态才能正常工作。8) “Col”完全弹性碰撞实验：适用于两物体做的完全弹性的碰撞实验。其它非完全弹性的碰撞请用“S2”功能。当两个滑块完成完全弹性碰撞实验之后自动进入循环显示4个时间数据和4个速度数据分别为：1：碰撞前滑块通过1号光电门的时间；2：碰撞后滑块通过1号光电门的时间；3：碰撞前滑块通过2号光电门的时间；4：碰撞后滑块通过2号光电门的时间；v1.0：碰撞前滑块通过1号光电门的速度；v1.1：碰撞后滑块通过1号光电门的速度；v2.0：碰撞前滑块通过2号光电门的速度；v2.1：碰撞后滑块通过2号光电门的速度；如此反复循环。按清零键，清除所有实验数据，可重新做实验。9)“Sgl”时标输出：选择Sgl档，再依次按功能键可选择时标周期，屏幕将随着依次按功能键显示时标周期为0.1ms，1ms，10ms，100ms，1s；后盖上的时标插座输出幅度不低于5V的脉冲信号。（三）CS-Z智能数字计时器 一、概述如图2-3-5所示，CS-Z型智能数字计时器(以下简称计时器)是以89C51单片机为核心，在软件控制下的一种通用测时智能仪器与气垫导轨配合，可以进行多种力学实验，测量精确可靠的计时仪器，也可用于其他测时场合计时器有两路光电门A和光电门B信号输入(电脉冲信号输入)和一路电频率信号输入，当与计时器相连接的光电门被挡光时，计时器可测得两次挡光之间的时间间隔(范围可在50s99s之间)；利用频率输入口，可测量输入电信号的频率(可测频率范围1Hz500kHz)图2-3-6 智能数字计时器原理框图 该计时器还具有数据的存储功能和运算功能，可直接测出平均速度和平均加速度，另外，还提供了事件计数、测周期和碰撞数据等功能 注意：光电门A和光电门B必须同时插上，并且当两只光电门都正常工作时，计时器才能正常工作，否则计时器无法正常工作 二、技术参数 (1)测量时间 测时范围：50s99s。 分辨率：1s 精度：50s(最大时间测量范围为1s时)，0.5ms(最大时间测量范围为10s时) (2)计数 计数最大容量：99 999 999 信号间最小时间间隔：lus (3)频率测量 范围：1Hz500kHz 分辨率：1Hz 精度：10Hz(500kHz输入时)，1Hz(1kHz输入时) 输入灵敏度：500mV(ppV) 输入阻抗：200k2 (4)显示方式 8位LED数码管，小数点自动定位 (5)电源 电压：AC220V10 频率：50Hz功耗：12W三、使用方法如图2-3-6所示，将计时器电源开关(4)拨到ON位置，LED数码管(5)显示HELLO，按“选择”键(7)，数码管显示1Pr，以后每按一次“选择”键依次出现：2Pr、3-V、4-V、5A、6Pd、7Fr和8CC、9EV；再按“选择”键一次则又回到HELLO，以上的显示分别表示进入计时器的9种功能注：当执行上述前7个功能时，功能应处在lPr7Fr，即键盘板左上角灯(11)亮，而执行最后两个功能时，按功能键(6)，此时功能应处在8CC与9EV，即键盘板左下角灯亮1 光电门A；2 光电门B；3 频率输入；4 电源开关；5 LED数码管显示；6 功能键；7 “选择”见；8“执行”见；9“自动/手动”；10 状态指示灯；11 功能指示灯图2-3-7 数字计时器面板图 (1) 1Pr (测一个时间间隔)当显示为1Pr时，按“执行”键就进入测量一个时间间隔操作，当滑块通过光电门A或光电门B后，“U”型（开口）挡光片通过光电门一次，条形（不开口）挡光片通过光电门两次，屏幕就显示，单位为毫秒(ms)例2-3-1使用光电门A，安装“U”型（开口）挡光片，可测如图2-3-3中。例2-3-2使用光电门A和B，安装条形（不开口）挡光片，可测出滑块移动自A至B的时间，如图2-3-8所示，完成一次操作后，再按“执行”键则重新测一个时间间隔。图2-3-8(2) 2Pr(测两个时间间隔)通过按“选择”键，使显示为2Pr，按下“执行”键，屏幕显示消失，即进入测两个时间间隔功能等待光电门A或B的两次挡光(指开口挡光片，下同)，两次挡光后屏幕显示后一次时间间隔。再按“选择”键出现第一次挡光每按一次“选择”键交替显示和 完成一次2Pr功能后再按“执行”键，则再作一次2Pr测时(3) 3-V(测一个速度)当滑头上安装开口挡光片时，可测出滑块运动的平均速度进入3-V显示后，按“执行”键，LED屏幕出现2.00，表示必须使用宽度d为2.00cm的开口挡光片如果不使用2.00cm的挡光片，还可以使用2.20cm、2.40cm等多种规格的标准挡光片，只需再按“选择”键，便可依次选择上述几种规格的挡光片，以便求出滑块的平均速度选择好挡光片后，按“执行”键则进入测速，类似1Pr挡光一次后屏幕显示平均速度，单位为mms，再按“执行”键可进入下次测速(4) 4-V（测两个速度）当显示为4-V，即进入测两个速度功能类似于3-V，按“执行”键后显示2.00，亦可如前例，按“选择”键依次选择挡光片宽度，再按“执行”键进入测速，此时显示消失，等待两次挡光后，屏幕显示测得的速度，按“选择”键可显示此时再按“执行”键，又重复上述测速功能(5) 5A（测加速度）当显示为5A，即进入测加速度功能类似于3-V，按“执行”键后显示2.00，亦可如前操作选择挡光片宽度d，再按“执行”键，显示消失；等待光电门A和B的两次挡光（测加速度时，使用一只装有开口光片的滑块），两次挡光后，出现数据显示，即，按“选择”键显示，再按“选择”键又交替显示；按“执行”键则显示 (按该键后，和清除)，即为滑块的平均加速度计算的公式为：，式中：为平均加速度，单位为mms2、为滑块通过光电门时的速度；为滑块在光电门A、B之间运动的时间(6) 6Pd（测周期）显示为6Pd，即为测周期功能可选预制周期数，进入测试后，显示剩余周期计数显示为6Pd时按“执行”键，显示0，每按一次“选择”键，显示加1，达到你所需的预置数后，按“执行”键即进入测周期操作，此时显示为YES使用开口挡光片，挡光片每挡光两次，显示的预置数就减1，最后一次挡光后，显示为时间总数，单位为ms(7) 7Fr （测电频率）显示为7Fr时，只需按一下“执行”键，即进入测频率此时只要在机箱后部测频输入有稳定的输入信号，屏幕便显示被测电信号的频率，单位为Hz(8) 8CC（碰撞数据）当显示为8CC，即为测碰撞功能此时需将“功能键”按下，使右下角灯亮显示为8CC时，按“执行”键选择开口挡光d用“选择”键选择完之后，再按“执行”键显示消失，等待滑块通过光电门(图2-3-9)图2-3-9当滑块A、B分别以初速、通过光电门A、B后，滑块A、B对心碰撞，碰撞后滑块A、B再次以末速、分别通过光电门A、B，显示出现显示数为。按“选择”键，交替出现、，记录下、后；按“执行”键出现，此时按“选