牛顿第二定律的验证实验论文

牛顿第二定律的验证实验论文学院：职业技术师范学院专业：机械设计制造及其自动化机电一体化学号：201213201177姓名：陈耀武摘要：牛顿第二定律表明物体的加速度与施加的合外力成正比，与物体的质量成反比，方向与合外力方向相同。这定律又称为“加速度定律”。牛顿第二定律的验证实验表现为气垫上两滑块的相互作用。利用气垫提供相对理想的环境下验证F=Ma，实验利用光电计时系统测得相对准确的通过光电门1，光电门2的速度和时间。最后通过验算验证牛顿第二定律。关键词：气垫光电计时系统牛顿第二定律加速度验证（一）【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）验证牛顿第二定律（二）【实验仪器】：气垫导轨气源通用电脑计数器游标卡尺物理天枰砝码及托盘等（三）【实验原理】：牛顿第二定律表达式F=Ma，F为系统所受的合外力，M为系统的总质量，a为系统的加速度。当系统的总质量一定时，滑块的加速度a随着F的加大而增大。且F1/a1=F2/a2=…=M。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F减去阻力，在本实验中阻力可忽略，因此砝码的重力G就等于作用在系统上合外力F的大小。系统的质量M等于所加砝码m1,滑块的质量m2和滑轮的折合质量I/r2的总和，若忽略滑块与导轨之间的黏性阻力和滑轮的摩擦阻力，根据牛顿第二定律，有F=（m1+m2+I/r2）①由于折合质量I/r2相对于（m1+m2）而言很小，故在实验时可以忽略，于是，①式可以近似写成F=（m1+m2）a（四）【实验内容与步骤】：验证M一定时，a与F成反比。（1）打开数字毫秒计时器，选择“加速度”挡，将细尼龙线的一端接在滑块上，另一端绕过滑轮后悬挂一砝码盘，先把所有砝码都放在滑块上，并将滑块置于第一个光电门外侧，使挡光片距离第一个光电门约20cm外，松开滑块，测出并记录滑块通过两个光电门的时间t1和t2，以及滑块从第一光电门到第二光电门的时间△t，然后按数字毫秒计时器面板上的转换键，分别记录v1，v2（v1=d/t1,v2=d/t2）和加速度a。将实验数据记录在表3-1中（2）逐次从滑块上取下砝码加到砝码盘上，重复上述测量。（3）从上述测量中任意抽取5组数据，计算出不同作用力下的加速度与作用力的比值，若比值很接近，说明a与F成正比。（五）【数据记录与处理】表3-1挡光片的挡光距离d=60cm，滑块的质量m滑=334g次数砝码质量m(g)光电门1t1（ms）光电门2t2（ms）两光电门△t（ms）速度v1（cm/s）速度v2（cm/s）加速度a（cm/s）15.045.3822.261777.3622.0444.9212.87210.031.9415.741253.5231.3163.5325.70315.026.3912.911030.1637.8977.4638.41420.022.4211.11883.0844.6090.0151.42525.020.4610.00798.4248.88100.0064.03K1=a1/F1=a1/m1g=12.87×10-2/5.0×10-3×9.78=2.63（1/kg）K2=a2/F2=a2/m2g=25.70×10-2/10.0×10-3×9.78=2.56（1/kg）K3=a3/F3=a3/m3g=38.41×10-2/15.0×10-3×9.78=2.61（1/kg）K4=a4/F4=a4/m4g=51.42×10-2/20.0×10-3×9.78=2.63（1/kg）K5=a5/F5=a4/m5g=64.03×10-2/25.0×10-3×9.78=2.62(1/kg)K=(k1+k2+k3+k4+k5)/5=2.61(1/kg)E=|Kmax-Kmin|/K×100%=|2.63-2.56|/2.61×100%=2.7%〈3.0%（注释）（六）【结论】在相对误差小于3.0%范围内，当M一定时，a与F成正比，即牛顿第二定律得证。（七）【误差分析】①系统误差，仪器精确度造成的误差，仪器之间有摩擦②称量时人为读数误差③空气阻力（八）【注意事项】1.实验前必须先将导轨调平2.注意砝码盘尼龙线的长度，必须保证滑块经过光电门2时，砝码盘未到地面（九）【总结】经过一个学期的大学物理实验课程学习，实践，领悟到①读懂实验书不等于会做实验。实验书把整个实验都写得很详细，把书读得很熟，但往往实验时会手慢脚乱，我们应该加强动手能力的训练。②实验时不敢独立进行，总是等别人做好了再模仿。这是不自信的一种表现，我们应该放开自己，按照实验仪器要求独立操作完成实验，敢于尝试③这个学期虽然做了10个实验，但实验数据处理，相关误差分析还没形成系统的概念，我们应该认真思考自己哪里出了错，加以改进，对数据处理进行系统的复习注释：Kmax：是K1到K5中最大的值，即2.63；Kmin：是K1到K5中最小的值，即2.56参考文献：【1】赵近芳《大学物理学第3版上》北京邮电大学出版社2011年1月【2】全日制普通高中高级中学教科书《物理第二册上》人民教育出版社中学物理室编著2