大学物理实验教案-牛顿第二定律的验证-修订

大学物理实验教案实验名称牛顿第二定律的验证教学时数2学时

教学目的和要求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

4、测量加不同砝码时的加速度

5、验证牛顿第二定律

教学方法先讲授，然后实际演示操作要点。

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。

时间分配讲授30分钟，学生操作70分钟。板书设计实验目的、测量关系式、数据记录表格。

主要参考资料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：牛顿第二定律的验证

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：

气垫导轨（L-QG-T-1500/5.8）滑块

电脑通用计数器（MUJ-ⅡB）电子天平

游标卡尺气源

砝码

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

度之间存在如下关系：

（1）

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，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）所受到的合外力为：

A门B门

细线

滑轮

砝码

（2）

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，为滑轮的摩擦阻力，暂时不考虑这项。

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）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：

（3）

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，保持运动系统质

量一定。

3．用测量的与验证式（1）时，应检验：

（1）与之间是否存在线性关系？当、的测量组数，关联系数

时，就可认为、间存在线性关系。

（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

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

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，，如果，，那么气轨基本调平了，如果就更好了。

2.求粘性阻尼系数

根据气轨调平时测量的，，和可以计算阻尼系数。

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，速度损失为；相反由可知，速度损失为。

因为速度损失是由阻尼力引起的，因此可得到阻尼系数为

式中为滑块的质量，为光电门A，B间的距离。

3.测量加不同砝码时的加速度

测量加速度的公式

式中d为挡光片宽度，为光电门A，B间的距离。

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。

（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。

（6）用最小二乘法求直线拟合式。

（7）比较,验证牛顿第二定律。注：

实验数据记录

滑轮的折合质量重力加速度g=9.795m/s2

1、动态调平及测粘性阻尼系数b

m= d= s＝

测量序号A → B B → A

b / m s/ m s/

c m/s/ m s/ m s/cm/s

1

2

3

4

5

2、验证牛顿第二运动定律