大学物理实验 牛顿第二定律的验证

实验一 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．学会用光电计时系统测量物体的速度和加速度。

3．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 .

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、滑块的质量和滑轮的折合质量的总和. 在导轨上相距S 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 等于

S v v a 22

122-= 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，则系统的加速度为

)11(2)(2121

2222122t t S d v v S a ∆-∆∆=-= 其中d ∆为遮光片两个挡光沿的宽度如图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。 实验内容

1．观察匀速直线运动

（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，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，对于同一个挡光片而言，滑块经过两光电门的时间就相等，即21t t ∆=∆。

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m 2滑块能在气垫导轨上作匀速运动。将两个光电门置于相距L 的位置上；

2）把系有砝码盘的轻质细线通过滑轮和滑块相连，在滑块上放入质量为m 1的砝码，用天平测得系统的总质量m ，测量滑块经过两光电门的加速度a 1 ；

3）从滑块上取下质量为m ∆的砝码加至砝码盘中，测出加速度a 2 ；

4）从滑块上依次取下质量为m ∆砝码，放入砝码盘中，求出a 3，a 4 … 。

5）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）令砝码的质量m 1不变，改变滑块的质量m 2 ，在滑块上每次增加m ∆砝码，测出a 。

3）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

数据处理

1．保持系统总质量M 不变的条件下，测出加速度a 与外力F 之间的相关数据。并用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的线性关系。

M= g

作图F---a

2．外力F 不变的条件下，测出系统质量M 与加速度a

的相关数据。并用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系。

F= N

作图F-----1/M

思考题： 对于F —a 图，如果直线不过原点，试分析其原因。