实验24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m的物体，其所受的合外力F和物体所获得的加速 度 a 之间存在如下关系：F = ma (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m不变时，研究加速度a 与合外力F之间关系；当保持物体所受的合外力F不变时，研究加速度a与物体质量m之间关系。

图 2—3—1取滑块质量为mi'砝码和托盘的质量为匕，细线(不可伸长)为一力学系统’如图2—3—1 所示， T 为细线中的张力则有：2—3—2)mg — T = m a22T = m a1则系统受合外力为：F 二 mg = （m + m ）a（2-3-3）2 1 2令M = m + m，得12F = Ma（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50cm2、 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“S ”2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］、质量保持不变，M = kg表 2-3-1f、、 次数F（N）、\、ai（cm/s2）a2（cm/s2）a3（cm/s2）a4（cm/s2）a（cm/s2）1、 根据此表数据在坐标纸上作出；2、 根据所画a - f曲线，得出什么样的结论3、 对结论作出分析二、保持力不变，F = N表 2-3-2次数ai（cm/s2）a2（cm/s2）a3（cm/s2）a4（cm/s2）a（cm/s2 ）丄（kg -1）m-11、 根据此表数据在坐标纸上作当a-—曲线，得出结论:m12、 根据所画a - 曲线，得出什么样的结论。

m3、 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所示滑轮导轨拎光片碰簧底座标尺垫脚发射架进气管光电门B光电门A 滑块\/ fcl_//喷气孔图 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10〜200“m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)(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(25.0±0.5)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、J0201-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。

3）自由落体接口插座6）直流稳压电源输出1）保险管座 2）外接地线接线柱4）档光片宽度选择开关 5）电源输入插头线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•自检一C 一► S1 — S2 — T —►!—► g— Col —► sgL(0.1ms) —► sgL(lms)!->SgL(10ms) —► SgL(lOOnis) —► SgL(ls)—►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” 一计数：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) “S「'一挡光计时：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” 一间隔计时：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” 一测振子振动周期：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(l-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n>10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” 一测加速度：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；V］：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” 一测重力加速度：配合自由落体实。