大学物理实验教案-牛顿第二定律的验证-修订

大学物理实验教案大学物理实验教案 实验名称实验名称牛顿第二定律的验证牛顿第二定律的验证 教学时数教学时数2 2 学时学时 教学目的教学目的 和要求和要求 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 3 学会测量物体的速度和加速度 4 学习在气垫导轨上验证牛顿第二定律 教学重点教学重点 1 气垫导轨和光电计时系统的调节和使用 2 速度和加速度的测量方法 3 验证牛顿第二定律 教学难点教学难点 1 气垫导轨和光电计时系统的调节和使用 2 速度和加速度的测量方法 教学内容教学内容 1 光电计时系统的工作原理和使用方法 2 气垫导轨的检查和调平法 静态调平法和动态调平法 3 测量粘性阻尼系数b 4 测量加不同砝码时的加速度 0 m 5 验证牛顿第二定律 教学方法教学方法先讲授 然后实际演示操作要点 教学手段教学手段 学生操作 随堂检查操作情况 根据学生的操作情况将容易犯错的问题做 重点提示 学生可以根据操作中遇到的具体问题个别提问 时间分配时间分配讲授 30 分钟 学生操作 70 分钟 板书设计板书设计实验目的 测量关系式 数据记录表格 主要参主要参 考资料考资料 1 杨述武等 普通物理实验 第四版 M 北京 高等教育出版社 2007 2 郑庚兴 大学物理实验 M 上海 上海科学技术文献出版社 2004 3 黄水平 大学物理实验 M 北京 机械工业出版社 2012 4 徐扬子 丁益民 大学物理实验 M 北京 科学出版社 2006 5 李蓉 基础物理实验教程 M 北京 北京师范大学出版社 2008 实验名称 实验名称 牛顿第二定律的验证 实验目的 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 3 学会测量物体的速度和加速度 4 学习在气垫导轨上验证牛顿第二定律 实验仪器实验仪器 气垫导轨 L QG T 1500 5 8 滑块 电脑通用计数器 MUJ B 电子天平 游标卡尺 气源 砝码 实验原理实验原理 力学实验最困难的问题就是摩擦力对测量的影响 气垫导轨就是为消除摩擦而设计的 力学实验的装置 它使物体在气垫上运动 避免物体与导轨表面的直接接触 从而消除运 动物体与导轨表面的摩擦 让物体只受到几乎可以忽略的摩擦阻力 利用气垫导轨可以进 行许多力学实验 如测定速度 加速度 验证牛顿第二定律 动量守恒定律 研究简谐振 动等 根据牛顿第二定律 对于一定质量的物体 其所受的合外力和物体所获得的加速mF 度之间存在如下关系 a 1 maF 此实验就是测量在不同的作用下 运动系统的加速度 检验二者之间是否符合上述关Fa 系 在调平导轨的基础上 测出阻尼系数后 如下图所示 将细线的一端结在滑块上 b 另一端绕过滑轮挂上砝码 此时运动系统 将滑块 滑轮和砝码作为运动系统将滑块 滑轮和砝码作为运动系统 所受到 0 m 的合外力为 0 m 滑轮 细线 A 门B 门 砝码 2 cagmvbgmF 00 式中平均速度 单位用 与粘性阻尼常量之积为滑块与导轨间的粘性阻力 vsm b 为滑轮的摩擦阻力 暂时不考虑这项 cagm 0 在此方法中运动系统的质量 应是滑块质量 全部砝码质量 包括砝码托 m 1 m 以及滑轮转动惯量的换算质量 为滑轮转动惯量 为轮的半径 之和 即 m 2 r I Ir 3 2 1 r I mmm 其中由实验室提供 另外在实验中应将未挂在线上的砝码放在滑块上 保持运动系统在实验中应将未挂在线上的砝码放在滑块上 保持运动系统 2 r I 质量一定 质量一定 3 用测量的与验证式 1 时 应检验 Fa 1 与之间是否存在线性关系 当 的测量组数 关联系数FaaF5 n 时 就可认为 间存在线性关系 88 0 FaraF 2 如果与间存在的线性关系 斜率和运动系统质量在测量误差FaaF m 范围内是否相等 只有对上述检验得出肯定答复时 才可认为对式 1 的关系在 实验条件下是肯定的 实验内容及步骤实验内容及步骤 1 调平气垫导轨 1 静态调平法 导轨接通气源 滑块放在导轨某处 用手轻轻地把滑块压在导轨上 再轻轻地放开 观察滑块的运动状态 连续做几次 如果滑块在导轨上静止不动 或稍有 左右移动 则导轨是水平的 如滑块几次都向同一方向运动 表明导轨不平 仔细 认真 调节水平螺钉 直到滑块在导轨任意位置上基本保持静止不动 或稍有左右移动 一般要 在导轨上选取几个位置做这样的调节 2 动态调平法 将气轨与计时器配合进行调平 仪器接通电源 仪器功能选择在 S2 挡上 两个光电门间距不小于 30cm 可以取 50cm 卡装在导轨上 导轨两端装上弹射 器 滑块装上挡光片 给气轨通气让滑块以一定的速度从导轨的左端向右端滑行 先后通 过两个光电门 A 和 B 计时器就分别记下挡光片通过两个光电门的时间和 再反过来 A t B t 让滑块以一定的速度从导轨的右端向左端滑行 先后通过两个光电门 B 和 A 再测出 B t 如果 那么气轨基本调平了 如果就更好了 A t BA tt BA tt BAAB tttt 2 求粘性阻尼系数b 根据气轨调平时测量的 和可以计算阻尼系数 A t B t B t A t b 由于滑块与轨面间存在少许阻力 滑块的运动应该是减速的 从可看出 BA tt 速度损失为 相反由可知 速度损失为 BA vv ABAB vvv BA tt BA vv BABA vvv 因为速度损失是由阻尼力引起的 因此可得到阻尼系数为b 2 ABBA vvm b s 式中为滑块的质量 为光电门 A B 间的距离 ms 3 测量加不同砝码时的加速度 0 m 测量加速度的公式 222 22 11 22 BA BA vvd a sstt 式中 d 为挡光片宽度 为光电门 A B 间的距离 s 4 验证牛顿第二定律 1 导轨通气 2 在滑块上装上挡光片 对应滑轮一端装上座架 将拴在砝码托上的细线跨过滑轮 并通过堵板上的方孔挂在滑块的座架上 并将两个光电门置于导轨的相应的位置上 距离 50cm 左右处 注意当砝码托着地前 滑块要能通过靠近滑轮一侧的光电门 3 计时器的功能选择在 s2 挡 将改变所需砝码预先置于滑块上 在砝码托 0 m 内加上一定质量的砝码 导轨通气 让滑行器从起始挡板处开始运动 通过两个光电门 计时器会测出相应的时间 从而可根据下式计算加速度 222 22 11 22 BA BA vvd a sstt 4 逐次从滑块上取下砝码放入砝码托内 重复步骤 3 直到砝码全部移到托内 为止 5 用电子天平准确称出砝码托和砝码的质量 滑块的质量 0 m 1 m 6 用最小二乘法求直线拟合式 Fkak 值值 7 比较 验证牛顿第二定律 注 kM M为系统总质量即滑块和砝码总质量 实验数据记录实验数据记录 滑轮的折合质量 重力加速度 g 9 795m s2 2 0 30 J g r 1 动态调平及测粘性阻尼系数 b m d s A BB A 测量序号测量序号 m s A t m s B t cm s AB v m s B t m s A t cm s BA v b 1 2 3 4 5 2 验证牛顿第二运动定律 1 测定不同外力 F 下的加速度a d s M 砝码质量 0 mg 光电门 A A tms 光电门 B B tms 从光电 门 A 到 B 的时间 AB tms 平均速度 1 m s AB s v t 系统所受合外力 0 Fm gbv 加速度 2 m s 2 22 11 2 BA d a stt 2 最小二乘法求解斜率 K 比较 K M 使用气轨注意事项 使用气轨注意事项 1 气轨轨面和滑块内表面不允许用硬物敲打和撞击 如被碰伤或变形则可能出现 接触摩擦使阻力显著增大 2 严禁在不通气源的情况下将滑块在导轨上来回滑动 否则两者的表面会因干磨 擦而损伤 3 滑块严禁掉在桌面或地面上 4 实验前要用纱布或软毛巾蘸少些酒精 擦抹导轨表面和滑块内表面 5 检查轨面喷气孔是否堵塞 气轨供气后 用薄的小纸条逐一检查气孔 发现堵 塞要用细钢丝通一下 6 实验后取下滑块另外放置 用布罩好导轨 问题讨论问题讨论 1 使用气垫导轨时应注意什么问题 气垫导轨是较精密仪器 实验中应避免导轨受到碰撞 摩擦而变形 损伤 没有给气 垫导轨通气时 不准在导轨上强行推动滑块 滑块的内表面光洁度较高 要轻拿轻放 严 防划伤和磕碰 不要将滑块放在水泥实验台上 更不允许将滑块掉在地上 滑块在导轨上 运动的速度不能太大 以免冲出导轨跌落而损坏滑块 更换挡光片或调整挡光片在滑块上 的位置时 必须把滑块从导轨上取下 待调整好后再放上去 实验结束后应将滑块从导轨 上取下 以免导轨变形 2 滑块在气垫导轨上运动时 速度越来越慢 这是为什么 可能的原因 气垫导轨不水平 空气阻力的影响 气垫内部的粘滞阻力的影响 3 如何鉴别气垫导轨已调成水平 气垫导轨调成水平的方法 1 静态调平法 首先用水平尺对气垫导轨的横向和纵向 水平进行粗调 然后调节水平调节螺丝和支脚螺丝 直至滑块放在气垫导轨上静止或者左 右扰动 但无方向性为止 2 动态调平法 或 21 tt 1 2 12 t tt 4 本实验求瞬时速度的方法中 你如何体会瞬时速度是平均速度的极限值 若保持下端光电门 B 不动 改变上端光电门 A 的位置 使两光电门 A B 之间的距离逐 渐减小 则滑块的平均速度越来越大 而且从测量的数据可以看出滑块的平均速度越来越 接近滑块在 B 点的瞬时速度 因此可以设想当两电门 A B 之间的距离趋近于零时 平均速 度的极限值就是瞬时速度 附实验数据记录附实验数据记录 滑轮的折合质量 重力加速度 g 9 795m s2 2 0 30 J g r 1 动态调平及测粘性阻尼系数 b 滑块质量 m 173 90g d 1 000cm s 60 00cm m s A t15 0523 749 4113 9815 05A B m s B t15 2324 129 4814 0915 23 m s B t 20 8027 4712 5919 5420 80 B A m s A t 21 1227 5312 7419 8321 12 2 测定加速度a 滑块质量 173 90g d 1 000cm s 60 00cm 1 m 砝码质量 m g 5 017 5010