验证牛顿第二定律参考实验报告

《验证牛顿第二定律》参考实验报告

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。

实验仪器

气垫导轨，气源，通用电脑计数器，游标卡尺，物理天平等。

实验原理

牛顿第二定律的表达式为

F ＝m a （1—1）

验证此定律可分两步

（1）验证m 一定时，a 与F 成正比。

（2）验证F 一定时，a 与m 成反比。

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W 减去阻力，在本实验中阻力可忽略，因此砝码的重力W 就等于作用在系统上合外力的大小。系统的质量m 就等于砝码的质量m 1、滑块的质量m 2和滑轮的折合质量2r I 的总和，按牛顿第二定律

a r

I m m W )(221++= （1—2） 在导轨上相距S （系统默认S=50cm ）的两处放置两光电门k 1和k 2，测出此系统在砝码重力作用下滑块通过两光电门和速度v 1和v 2，则系统的加速度a （可有光电计时器直接读出）等于

S

v v a 22122-= （1－3） 在滑块上放置双挡光片，同时利用计时器测出经两光电门的时间间隔，则通过2个光电门的速度为 （用卡尺测出遮光片两挡光沿的宽度d ∆，cm d 1=∆）（速度可有光电计时器直接读出）

2

211,t d v t d v ∆∆=∆∆= （1－4） 其中d ∆为遮光片两个挡光沿的宽度如图1－1所示。在此测量中实际上测

定的是滑块上遮光片（宽d ∆）经过某一段时间的平均速度，但由于d ∆较

窄，所以在d ∆范围内，滑块的速度变化比较小，故可把平均速度看成是滑

块上遮光片经过两光电门的瞬时速度。同样，如果t ∆越小（相应的遮光片

宽度d ∆也越窄），则平均速度越能准确地反映滑块在该时刻运动的瞬时速

度。 实验步骤

1．调好光电计时器，调整气垫导轨水平

（1）首先检查计时装置是否正常。将计时装置与光电门连接好，要注意套管插头和插孔要正确插入，将两光电门按在导轨上，利用功能键调到加速度，利用转换键调至显示速度和加速度。双挡光片第一次挡光开始计时，第二次挡光停止计时就说明光电计时装置能正常

工作；

（2）给导轨通气，并检查气流是否均匀；

（3）选择合适的挡光片放在滑块上，再把滑块置于导轨上；

（4）调节导轨底座调平螺丝，使其水平。只要导轨水平，滑块在导轨上的运动就是匀速运动，只要是匀速运动，滑块经过两光电门的速度相等。

2．验证牛顿第二定律

（1）保证系统的总质量不变时，验证加速度与外力的关系。

1）调整气垫导轨，让质量为m2滑块能在气垫导轨上作匀速运动。将两个光电门置于相距S（系统默认S=50cm）的位置上；

∆的砝2）把系有砝码盘的轻质细线通过滑轮和滑块相连，在滑块上放置多个质量为m

码，用天平测得系统的总质量m，从光电计时器读出加速度a1 ；

∆的砝码加至砝码盘中，分别读出加速度a2 ，a3，a4 …。

3）依次从滑块上取下质量为m

4）用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的线性关系。

（2）保持外力不变（即砝码盘与砝码的总质量不变），改变滑块质量，研究系统质量与加速度的关系。

1）调节两光电门之间的距离合适；

∆2）令托盘和它上面的砝码的质量m1不变，改变滑块的质量m2 ，在滑块上每次增加m 砝码，测出a。

3）通过在滑块上增加砝码，多次改变滑块的质量，分别测量对应a ，用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系

实验数据记录及处理

1测量数据记录与处理。

系统的总质量M不变,M=(滑块，滑块上的砝码，托盘，托盘上的砝码，绳子等组成)

表1

利用描点法作图：以a, F分别为横坐标、纵坐标作图（成线性关系，应为一直线）

保持外力不变，改变质量

F=（即托盘与托盘上砝码的总质量不变，它们受的重力）

表2

利用描点法作图：以a, 1/M分别为横坐标、纵坐标作图（成线性关系，应为一直线）实验结论

1．加速度与外力之间成线性关系。

2．加速度与质量的倒数之间成正比关系。（加速度与质量之间的反比关系）

实验中的注意问题

1、光电计时器一定要调到加速度、并通过转换键调到显示速度和加速度

2、光电门之间距离要调到50cm, 选择合适的遮光片。

3、气垫导轨使用前一定要调水平

4、第二定律中的质量一定不要认为是滑块的质量，让总质量保持不变时，不要再向运动系

统中添加砝码。

5、作图要使用铅笔，先描点，描点要清晰，然后使用直线连接各点（或平均分布于直线两

侧，严重偏离的数据剔除）。

思考题

1．实验中如果导轨未调平，对验证牛顿第二定律有何影响，得到的图将是什么样的？图线偏移原点

2．如何尽量减小误差？气垫导轨要尽可能水平等