《大学物理》实验报告(速度加速度的测定和牛顿运动定律的验证)

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实验报告
课程名称：大学物理(一)
实验名称：
实验形式：在线模拟+现场实践
提交形式：在线提交实验报告
学生姓名：学号：184********** 年级专业层次：
学习中心：山东济南明仁学习中心
提交时间：2019 年月日
一、实验目的
1．了解气垫导轨的构造和性能，熟悉气垫导轨的调节和使用方法。

2．了解光电计时系统的基本工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。

3．掌握在气垫导轨上测定速度、加速度的原理和方法。

4．从实验上验证F=ma的关系式，加深对牛顿第二定律的理解。

5．掌握验证物理规律的基本实验方法。

二、实验原理
1．速度的测量
一个作直线运动的物体，如果在t~t+Δt时间内通过的位移为Δx（x~x+Δx），则该物体在Δt时间
内的平均速度为，Δt越小，平均速度就越接近于t时刻的实际速度。

当Δt→0时，平均速度的极限值就是t时刻（或x位置）的瞬时速度
（1）
实际测量中，计时装置不可能记下Δt→0的时间来，因而直接用式（1）测量某点的速度就难以实现。

但在一定误差范围内，只要取很小的位移Δx，测量对应时间间隔Δt，就可以用平均速度近似代替t时刻到达x点的瞬时速度。

本实验中取Δx为定值（约10mm），用光电计时系统测出通过Δx所需的极短时间Δt，较好地解决了瞬时速度的测量问题。

2．加速度的测量
在气垫导轨上相距一定距离S的两个位置处各放置一个光电门，分别测出滑块经过这两个位置时的速度v1和v2。

对于匀加速直线运动问题，通过加速度、速度、位移及运动时间之间的关系，就可以实现加速度a的测量。

（1）由测量加速度
在气垫导轨上滑块运动经过相隔一定距离的两个光电门时的速度分别为v1和v2，经过两个光电门之间的时间为t21，则加速度a为
（2）
根据式（2）即可计算出滑块的加速度。

（2）由测量加速度
设v1和v2为滑块经过两个光电门的速度，S是两个光电门之间距离，则加速度a为
（3）根据式（3）也可以计算出作匀加速直线运动滑块的加速度。

（3）由测量加速度
还可以根据匀加速直线运动加速度a、位移S（S＝x－x0）及运动时间t之间的关系式
测量加速度。

据此计算加速度有多种方法，其中一种方法是根据式（4）由作图法求出加速度。

（4）
实验时固定初位置x0（光电门1的位置），改变不同的末位置x（光电门2的位置），使物体（滑块）从静止开始运动，测出相应的运动时间t，作关系图线。

如果是直线，说明物体作匀加速运动，直线的斜率为。

以上介绍了3种测量加速度a的方法。

具体测量时先把气垫导轨调水平，再使滑块在水平方向受到一恒力的作用，那么滑块的运动就是匀加速直线运动；也可先把气垫导轨调水平，然后将其一端垫高h高度，使气垫导轨倾斜，滑块在倾角为θ的导轨上面下滑，其运动也是匀加速直线运动。

3．验证牛顿第二定律
牛顿第二定律所描述的内容，就是一个物体的加速度与其所受合外力成正比，与其本身质量成反比，且加速度的方向与合外力方向相同。

数学表述为
F=m a（5）
为了研究牛顿第二定律，考虑如图1所示一个运动物体系统，系统由（滑块）和（砝码）两个
物体组成，忽略空气阻力及气垫对滑块的粘滞力，不计滑轮和细线的质量等。

图1 验证牛顿第二定律
调节气垫导轨水平后，将一定质量的砝码盘通过一细线经气垫导轨的滑轮与滑块相连。

设滑块部分的质量为，滑块本身所受重力为，气垫对滑块的漂浮力为N，此二力相平衡，滑块在垂直方向受到的
合外力为零。

滑块在水平方向上受到细线的拉力，此力为重物作用于细线所产生的张力T，由于气垫导轨和滑块及细线所受的粘滞阻力及空气阻力忽略不计，则有
（6）
式中a为运动系统的加速度，根据式（6）有
（7）
在式（7）中，若令m=m1+m2表示运动物体系统的总质量，F=m2g表示物体系统在运动方向所受的合外力，则式（7）即为式（5）F=m a。

根据式（7），验证牛顿第二定律可分为以下两步来完成。

（1）当系统总质量m保持不变时，加速度a应与合外力F成正比，比值为常数，即
（8）实验时，在保持总质量m不变的情况下，改变合外力Fi=m2ig，即逐次改变砝码盘中砝码的质量，测
出系统相应的加速度ai。

如果在实验误差允许的范围内式（9）成立，
（9）
则验证了m不变的情况下，a与F成正比。

还可以利用上述a和F数据作a～F关系图，若为直线，则可验证式（8），即a与F成正比。

（2）当保持系统所受合外力F=m2g不变时，加速度a的大小应与系统的总质量m=m1+m2成反比，即
（10）
同样，实验时保持合外力F=m2g不变，改变系统总质量mi=m1i+m2，即逐次向滑块增加不同重量的质量块，测出系统相应的加速度ai。

如果在实验误差允许的范围内式（11）成立，
（11）
则验证了F不变的情况下，a与m成反比。

还可以利用上述a和m数据作a～关系图，若为直线，则可验证式（10），即a与m成反比。

如果式（8）和式（10）均被验证，则式（7）即式（5）得到验证，也就是说，验证了牛顿第二定律。

4．判定实验与理论是否相符
根据实验数据，计算加速度a实验值的不确定度和理论值的不确定度，如果式（12）成立，
（12）
则说明实验验证了理论；否则，实验不能验证理论，应查出原因。

式（12）中的
就是允许的实验最大误差可能范围。

气垫导轨、光电计时系统、滑块、砝码、质量块（铁块）等。

四、实验内容
1．调节气垫导轨和光电计时系统
调整气垫导轨水平，达到细调水平要求，即滑块往返一次。

调整光电计时系统处于正常工作状态。

具体调节方法请参阅附录一和附录二。

2．验证物体系统总质量不变时加速度与合外力成正比
保证物体系统总质量不变，逐步增加砝码盘中砝码的质量，改变外力5次。

每一外力下分别记录滑块经过两个光电门的时间和，重复测量6次。

3．验证物体系统所受合外力不变时加速度与总质量成反比
保持砝码盘部分的质量不变，即合外力不变，在滑块上逐步增加质量块，改变物体系统总质量5次。

每一总质量下分别记录滑块经过两个光电门的时间和，重复测量6次。

六、结论
根据数据处理结果，可以认为：在误差的范围内，试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。

试验分析：试验误差主要来源与以下几个方面：
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、本地重力加速度取值的影响；
5、砝码的质量误差。

空气等各种阻力对试验的影响是非常重要的。

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对试验结果产生较大的影响。