大学物理实验报告(验证牛顿第二定律)
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实验报告
课程名称：大学物理(一)
实验名称：速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证
实验形式：在线模拟+现场实践
提交形式：提交书面实验报告
学生姓名：学号：
年级专业层次：高升专
学习中心：
提交时间：2014 年 6 月 2 日
【实验题目】验证牛顿第二定律 【实验目的】
1. 了解气垫技术的原理，掌握气垫导轨和计时计测速仪的使用方法。
2. 掌握测速仪测速度、加速度方法。
3. 验证牛顿第二定律。
【实验仪器】
汽垫导轨（含气源等附件）、MUJ-5B 型计时计数测速仪、电子天平
【实验原理】
1、速度测量
挡光片宽度Δs 已知，用计时测速仪测出挡光片通过光电门时的挡光时间Δt,即可测出平均速度，因Δs 很小，该平均速度近似为挡光片通过光电门时的瞬时速度，即：
瞬时速度：t
s dt ds t s v t ??≈=??=→?lim
MUJ-5B 计时仪能直接计算并显示速度。 2、加速度测量
设置两个光电门，测出挡光片通过两个光电门的速1v 、2v 度和挡光片在两光电门间的运动时间t ，即可测出加速度a 。
t
v v a 1
2-=
MUJ-5B 计时仪能直接计算并显示加速度。 3、牛顿第二定律验证
在右图由1m 、2m 构成的系统中，在阻力忽略不计时，有：
a m m g m )(212+=
令g m F 2=，21m m M +=，则有Ma F =
令21m m M +=不变，改变g m F 2=（将砝码依次从滑块上移到砝码盘上，即可保证F 增大，而M 不变），即可验证质量不变时，加速度与合外力的关系；令g m F 2=不变，改变21m m M +=(在滑块上增加配重)，即可验证合外力不变时，加速度与质量的关系。
【实验内容与步骤】
1.气垫导轨的水平调节
可用静态调平法或动态调平法，使汽垫导轨保持水平。静态调平法：将滑块在
s
?
汽垫上静止释放，调节导轨调平螺钉，使滑块保持不动或稍微左右摆动，而无定向运动，即可认为导轨已调平。
2.练习测量速度。 计时测速仪功能设在“计时2”，让滑块在汽垫上以一定的速度通过两个光电门，练习测量速度。
3.练习测量加速度
计时测速仪功能设在“加速度”，在砝码盘上依次加砝码，拖动滑块在汽垫上作匀加速运动，练习测量加速度。
4.验证牛顿第二定律
（1）验证质量不变时，加速度与合外力成正比。
用电子天平称出滑块质量滑块m ，测速仪功能选“加速度”， 按上图所示放置滑块，并在滑块上加4个砝码(每个砝码及砝码盘质量均为5g)，将滑块移至远离滑轮一端，使其从静止开始作匀加速运动，记录通过两个光电门之间的加速度。再将滑块上的4个砝码分四次从滑块上移至砝码盘上，重复上述步骤。
（2）验证合外力不变时，加速度与质量成反比。
计时计数测速仪功能设定在“加速度”档。在砝码盘上放一个砝码（即
g m 102=），测量滑块由静止作匀加速运动时的加速度。再将四个配重块(每个配重
块的质量均为m ′=50g)逐次加在滑块上，分别测量出对应的加速度。
【数据处理】
1、由数据记录表3，可得到a 与F 的关系如下：
由上图可以看出，a 与F 成线性关系，且直线近似过原点。
上图中直线斜率的倒数表示质量，M=1/0.0058=172克，与实际值M=165克的相对误差：
%2.4165
165
172=- 可以认为，质量不变时，在误差范围内加速度与合外力成正比。 2、由数据记录表4，可得a 与M 的关系如下：
由上图可以看出，a 与1/M 成线性关系，且直线近似过原点。
直线的斜率表示合外力，由上图可得：F=9342gcm/s 2,实际合外力F=10克力=10g*980cm/s 2=9800gcm/s 2，相对误差：
%7.49800
9342
9800=-
可以认为，合外力不变时，在误差范围内加速度与质量成反比。
【实验结论与分析】
实验结论：根据数据处理结果，可以认为：在误差的范围内，实验与牛顿第二定律相符，即加速度与合外力成正比，与质量成反比。
实验分析：实验误差主要来源于以下方面： 1. 导轨未完全调水平；
2. 空气阻力的影响，细线、滑轮运动阻力的影响；
3. 气流波动的影响；
4. 本地重力加速度近似取980cm/s 2。
5. 砝码的质量误差。
空气等各种阻力对实验的影响可能是主要的。因为空气阻力一般与速度的二次方成正比，所以实验中拉力不能太大，否则加速度大，速度增加快，空气阻力增加也快；但拉力也不能过小，否则很小的阻力也会产生较大的影响。
表3 验证加速度与合外力关系数据记录表
m 滑块= 139.8 g ， M=m 滑块+5m 0= 165 g
2m (g)
a (cm/s 2)
a (cm/s 2)
m 0 5 28.42 29.02 28.64 28.85 28.31 28.65 2m 0 10 56.75 56.94 56.74 56.66 56.80 56.78 3m 0 15 85.23 85.47 85.00 85.48 85.47 85.33 4m 0 20 114.24 114.12 113.96 113.30 114.19 113.96 5m 0
25
142.87
143.59
142.97
142.88
143.36
143.13
表4 验证加速度与质量关系数据记录表
m 2= 10 g , m 滑块= 139.8 g ，m ’= 50 g
M (g)
a (cm/s 2)
a (cm/s 2)
2m m +滑块
150 62.37 62.72 63.00 62.52 62.88 62.70 m m m '++2滑块 200 47.57 47.01 47.32 47.39 47.30 47.32 m m m '++22滑块 250 38.64 38.02 38.24 38.20 37.95 38.21 m m m '++32滑块 300 31.53 31.45 31.44 31.45 31.52 31.48 m m m '++42滑块
350
27.29
27.11
27.26
27.04
27.00
27.14