中国石油大学现代远程教育

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1、中国石油大学现代远程教育课程实验报告所属教学站：姓名：学号：年级专业层次：学期：实验时间：实验名称：气轨上的实验速度、加速度的测量及牛顿第二定律的验证小组合作：是O否O小组成员：1、实验口的：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木工作原理，学会用光电计吋系统测量短暂吋间的方法。3）掌握在气垫导轨上测定速度、加速度的原理和方法。4）从实验上验证库加的关系式，加深对牛顿第二定律的理解。5）掌握验证物理规律的基木实验方法。2、实验设备及材料：气垫导轨、光电计吋系统、滑块、祛码、质量块（铁块）等。3、

2、实验原理：1）速度的测量一个作直线运动的物体，如果在f't时间内通过的位移为,-_hxv=—则该物体在△广时间内的平均速度为圧，A广越小，平均速度就越接近于广时刻的实际速度。当X-0时，平均速度的极限值就是广时刻（或/位置）的瞬时速度才bxdxv=lim——=—a?-^0Afdt（1）实际测量中，计吋装置不可能记下+0的时间來，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，只要取很小的位移测量对应吋间间隔△&就口J以用平均速度/近似代替广时刻到达X点的瞬时速度卩。本实验中取△x为定值（约10mm）,用光电计吋系统测出通过所

3、需的极短吋间△t,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屯门，分别测出滑块经过这两个位置吋的速度刃和吃。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，就口J以实现加速度日的测量。（1）由乃T+加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记和血,经过两个光电门之间的时间为尼1,则加速度臼为(2)根据式（2）即可计算出滑块的加速度。（2）由测量加速度设刃和翅为滑块经过两个光电门的速度，S是两个光电门之间距离，贝IJ加速度a为根据式（3

4、）也可以计算出作匀加速直线运动滑块的加速度。12x=心+卩农+—at（3）由2测量加速度述可以根据匀加速直线运动加速度臼、位移SJS=x—xO）及运动时间广之间的12x=Xq+除+—at关系式2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）曲作图法求出加速度。X_Xq1=卩门+—aff2（4）实验时固定初位置xO（光电门1的位置），改变不同的末位置X（光电门2的—巾才位置），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种测量加速度日的方法。具

5、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，然后将其一端垫高力高度，使气垫导轨倾斜，滑块在倾角为〃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-ma（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，系统曲旳（滑块）和F（磁码）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。兀/图1验

6、证牛顿第二定律•••.・兀调节气垫导轨水平后，将一定质量的磁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用】，滑块本身所受重力为旳「气垫对滑块的漂浮力为M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7,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)T=mia式中爲为运动系统的加速度，根据式（6）有(7)在式（7）中，若令nrmhm2表示运动物体系统的总质量，尺泌倉表示物体系统在运动方向所受的合外力，则式（7）即为式（5）*阴。根据式（7）

7、,验证牛顿第二定律可分为以下两步來完成。（1）当系统总质量加保持不变时，加速度耳应与合外力F成正比，比值为常数,即a1用2&O1+用2）（g）实验时，在保持总质量/〃不变的情况下，改变合夕卜力Fi二/n2ig,即逐次改变祛码盘中祛码的质量，测出系统相应的加速度日几如果在实验误差允许的范围内式（9）成立，內©◎1・

8、ZZ・‘ZZtie

9、

10、

11、

12、加2侶加22忒m2iS（用1+叫）（g）则验证了刃不变的情况K，日与厂成止比。还可以利用上述日和厂数据作日〜厂关系图，若为直线，则可验证式（8）,即日与尸成正比。（2）当保持系统所受合外力呂加£不变时，加

13、速度日的大小应与系统的总质量nrmhm2成反比，即1&=用2呂—-—；（用1+用2）（IQ）同样，实验时保持合外力斥泌g不变，改变系统总质量加二/〃”+/必即逐次向滑块增加不同重