大学物理实验报告-速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证

1、中国石油大学(华东)现代远程教育实验报告课程名称：大学物理学(1)实验名称：速度、加速度的测定和牛顿运动规律的验证实验形式：在线模拟现场实践提交形式：提交书面实验报告学生名称：盖克许学号： 1896010101001学年专业水平：网18春建筑工程技术网春高起专业学习中心：东营直属服务所1提交日期： 2018年11月28日一、实验目的1 .了解空气弹簧轨的结构和性能，熟悉空气弹簧轨的调节和使用方法。2 .了解光电计时系统的基本工作原理，学习用光电计时系统测量短时间的方法。3 .掌握用空气弹簧导轨测量速度、加速度的原理和方法。通过实验验证F=ma的关系式，加深对牛顿第二定律的理解。5 .掌握验证物

2、理规律的基本实验方法。二、实验原理1 .速度的测定设进行直线运动的物体在tt t时间内通过的位移为x(xx x )，则t越小，该物体在t时间内的平均速度的平均速度越接近t时刻的实际速度。 在t0时，平均速度的极限值是t时刻(或x位置)的瞬时速度(1)在实际的计测中，计时器装置无法记录t0的时间，因此难以用式(1)直接计测某一点的速度。 但是，如果在一定的误差范围内，取微小的位移x并测定对应的时间间隔t，则可以用平均速度近似在t时刻到达x点的瞬时速度。 本实验以x为一定值(约10mm )，用光电计系统测量通过x所需的极短时间t，很好地解决了瞬时速度的测量问题。2 .加速度的测定在空气弹簧轨上仅隔

3、开距离s的两个位置分别放置光电门，测量滑块通过这两个位置时的速度v1和v2。 对于均匀地加速直线运动的问题，可以根据加速度、速度、位移、运动时间的关系来测定加速度a。(1)测量加速度在空气弹簧轨道上，滑块通过相隔一定距离的两个光电门时的速度分别为v1和v2，通过两个光电门之间的时间为t21，加速度a为(2)根据式(2)可以计算滑块的加速度。(2)测量加速度假设v1和v2是滑块通过两个光栅的速度，s是两个光栅间的距离，则加速度a(3)根据式(3)也可以计算均匀加速的直线运动滑块的加速度。(3)测量加速度也可以根据均匀加速直线运动加速度a、位移S(S=x-x0 )和运动时间t的关系式来测量加速度。

4、 基于此计算加速度有各种各样的方法，一种方法是基于式(4)根据作图法求出加速度的方法。(4)实验时固定初始位置x0 (光电门1的位置)，改变不同的最终位置x (光电门2的位置)，使物体(滑块)从静止位置移动，测量相应的运动时间t，制作了关系图表。 如果是直线，物体同样进行加速运动，直线的倾斜如下。以上介绍了三种测量加速度a的方法。 具体的测量时水平调整气垫的轨道后，如果在水平方向上对滑块作用一定的力，滑块的运动就会均匀地加速直线运动，使气垫的轨道成为水平，将其一端抵接在h的高度上，使气垫的轨道倾斜，滑块在倾斜角的轨道上下降3 .验证牛顿第二定律牛顿第二定律说物体的加速度与其所受到的外力成正比，

5、与其自身的质量成反比，加速度的方向与外力的方向相同。 数学是F=ma (5)为了研究牛顿的第二定律，考虑到图1所示的运动物体系统，系统由(滑块)和(重量)两个物体构成，无视空气阻力和气垫对滑块的粘性力，无视带轮和细线的质量等。图1验证牛顿的第二定律调节空气弹簧轨的水平后，将一定品质的重物经由空气弹簧轨的滑轮连接到滑块上。 假设滑块自身受到的重力是滑块部分的质量，气垫在滑块上浮动的力是n，则该两个力取得平衡，滑块在垂直方向上受到的合力为0。 滑块在水平方向上受到细线的张力，该力是重物作用于细线的张力t，气垫的导轨、滑块和细线受到的粘性阻力和空气阻力被无视，因此存在(6)式中的a是运动系统的加速度

6、，根据式(6)。(7)在式(7)中，如果设m=m1 m2为动态体系总质量，设F=m2g为动态体系在运动方向上受到的外力，则式(7)成为式(5)F=ma . 根据式(7)，验证牛顿第二定律可以分以下两个阶段达成。(1)如果系统的总质量m不变，加速度a与外力f成比例，比是常数，即(8)在实验中，在不改变总质量m的情况下，改变外力Fi=m2ig，依次改变砝码的质量，测量了适应系统的加速度ai。 如果在实验误差的允许范围内式(9)成立的话(九)如果m不变，验证了a与f成比例。 也可以将上述a和f的数据用作aF的关系图，只要是直线，就可以验证式(8)，即a与f成比例。(2)施加给系统的外力F=m2g保持

7、恒定时，加速度a的大小应与系统的总质量m=m1 m2成反比(十)同样地，在实验时，在外力F=m2g的状态下，改变系统整体的质量mi=m1i m2，即，将不同的质量块依次滑动，测量与系统相对应的加速度ai。 如果式(11 )在实验误差的允许范围内成立的话(十一)如果f不变，a已被验证与m成反比。 也可以将上述a和m的数据用作a关系图，只要是直线，就可以验证式(10 )，即a与m成反比。若式(8)和式(10 )两者都被验证，则作为式(7)的式(5)被验证，牛顿的第二定律被验证。三、实验器材空气弹簧导轨、光电计时系统、滑块、重物、质量块(铁块)等四、实验内容1 .调节空气弹簧轨和光电计时系统(1)空

8、气弹簧导向器的水平调节导轨的水平状态的调整是正确使用气垫导轨的重要内容，很多测量都需要将导轨调整为水平状态。 因为轨道很长，所以很难用一般的水平仪测量，在实验中，多通过观察滑块的运动来判断轨道是否水平。 因为调整气垫导轨水平很难，需要耐心调整，常用的调整方法有以下两种。(1)静态粗调导轨通气后，在导轨上的实验区间中放置滑动单元，滑动单元不动或稍微滑动，但只要不经常向一个方向滑动，可以认为导轨基本上是调平的。(2)动态微调首先，以中间速度从左端平滑地移动滑块，前后通过两个光电门的时间间隔和底脚螺钉，以使和非常接近。 导轨完全水平的情况下，由于滑块和导轨之间的粘性阻力和滑块周围的空气阻力，稍微变长

9、，一般在第三位的读取值以下存在差异。 将滑块从右端向左端以相同的速度移动，以记录前后通过两个光栅的时间间隔和也足够接近。 在这种情况下，可以考虑轨道的调平。(2)调整光电计时系统将空气弹簧轨道上的两个光电门的导线连接到MUJ计算机数字毫秒表背面板上的P1和P2插口，然后打开MUJ计算机数字毫秒表的电源开关。 接通空气弹簧轨的空气源，用适当的力按下滑块，使两个光电门依次通过，观察MUJ-613计算机式数字毫秒计能否正常记录时间，不正常的情况下检查遮光杆是否被遮光，光电管的照明2 .如果物体系统总质量不变，则验证加速度与合成外力成比例保证物体系统总质量不变，逐渐增加砝码盘的砝码质量，改变外力5次。

10、 对于每个外力，记录滑块通过两个光栅的时间之和，重复测量了6次。3 .如果物体系统受到的外力不变，验证加速度与总质量成反比为了不改变砝码部分的质量，即不配合外力，在滑块上逐渐增加质量块，使物体系统的总质量变化5次。 在各质量下记录滑块通过2个光电门的时间之和，反复测定6次。五、实验数据外力不变化时的加速度与系统质量的关系m=7.97g S=0.5000m米/gt1/st2/sv1/毫秒- 1v2 /毫秒- 1a/ms-2a/ms-2公斤级250.9033.815.10.2830.6320.3200.3110.251300.9039.216.90.2440.5650.2600.2600.3013

11、50.9047.318.70.2020.5110.2200.2230.351400.9073.220.50.1300.4660.2000.1950.401450.9082.522.30.1160.4280.1700.1730.451500.90134.724.10.0710.3960.1520.1560.501系统质量不变化时的加速度和外力的关系M=253.9g X=9.550mm米/gt1/st2/sv1/毫秒- 1v2 /毫秒- 1a/ms-2a/ms-2信噪比5.9734.017.20.2810.5560.2300.2300.0596.9731.415.60.3040.6100.2800.2690.0687.9729.315.00.3260.6370.3000.3080.0788.9727.513.90.3470.6860.3500.3460.0889.9726.113.30.3660.7170.3800.3850.09810.9725.012.70.3820.7520.4200.4230.108加速度与系统质量的关系加速度和合力的关系六、结论数据处理结果表明，在误差范围内，实验符合牛顿第二定律，加速度与外力成正比，与质量成反比。实验分析：实验误