牛顿第二运动定律

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1、實驗五牛頓第二運動定律實驗目的：利用氣墊裝置，在氣墊軌完成水平調整的前題下，觀測滑車受力的運動，以驗證牛頓第二運動定律。實驗原理：水平調整氣墊軌若非水平時，則未施力於滑車時，便已有外力(來自重力的分量)作用在滑車上了！所以，為簡化實驗的複雜程度，必須於實驗前，先調整氣墊軌的水平度。由運動學的等加速運動可知：(1)若有定力作用在物體上，則物體即會有等加速度，所以速度會隨不同位置而不同。因此，調整氣墊軌道為水平時，則滑車在軌道上之各點位置的速度會一樣。牛頓第二運動定律將滑車在氣墊軌上運動之情形，簡化如圖（一）所示。此時，其運動

2、方程式可寫成：(2)其中：mg為系統所受之外力，(m+M)為系統質量，a為系統受外力產生的加速度。利用圖（一）的裝置，採取兩種方式以驗證牛頓第二運動定律：A.系統質量固定時，外力與加速度是否成正比。即質量(m+M)為定值時，探討外力及加速度的關係。A.外力固定，系統質量改變時質量與加速度是否成反比。即外力mg固定時，探討質量(m+M)與加速度的關係。其中外力或質量的改變，以砝碼改變之。注意事項實驗所使用的氣墊軌為空心三角柱；表面均勻分布著小孔，利用氣流供應器使氣流由小孔噴出；如圖二。為了避免氣墊軌道受損，請遵守下列事項。1

3、.先將氣流供應器打開才可以放上滑車。2.滑車於軌道上不可負載過重。3.取下滑車後才可將氣流供應器關閉。實驗器材：氣墊軌道，送風裝置，滑車，光電門，計時器，橡皮筋，棉線，砝碼，零件組一盒，水平儀。實驗步驟：A.先熟悉計時器與光電門的操作方法B.水平調整1.利用目測滑車完成粗略的水平調整。C.牛頓第二運動定律驗證1.使用棉線，連接滑車及砝碼。2.滑車另一端亦用棉線綁上，以便於從靜止中釋放滑車。3.兩個光電門分別置於適當位置，並且固定不動。測量加速度數值之方式為：a.釋放滑車，先測滑車分別通過兩光電門時之速度、。b.實驗條件不變

4、。再釋放滑車，此時測量滑車由第一個光電門至第二個光電門所需之時間Δt。c.由、、S可得加速度。重覆測三次，取a之平均值。4.改變滑車質量M，3次，重覆上述步驟3.。5.以1/(M+m)為橫軸，a為縱軸作圖。6.改變砝碼質量m，3次，重覆上述步驟3.。（注意M+m值不可改變。）7.以m為橫軸，a為縱軸作圖。省思問題1.由C.（5）、（7）所得之關係，試解釋截距與斜率的物理意義。2.若軌道與水平面有一傾斜角，則C.(5),C.(7)結果如何？試由數據估計出此傾斜角。3.若考慮氣墊軌之摩擦力，在水平狀態下，C.(5),C.(7)

5、結果如何？試由數據估計出此摩擦係數。4.若同時考慮氣墊軌之傾斜與摩擦，則C.(5),C.(7)結果如何？試由數據估計出傾斜角與摩擦係數。1.若數據結果指出軌道不平坦，除傾斜與氣墊軌摩擦的原因外，是否還有可能由其他因素造成，請舉例？2.在實驗中，調整軌道水平十分重要，但過程難免繁複。請寫下你如何能調整得又快又好的心得。3.如果沒有氣墊軌可用，你有沒有想到什麼點子作實驗印證牛頓運動第二定律?說明你的構思過程。你評估如果用你的方法需要什麼設備，步驟如何，會碰上什麼樣的困難?數據表格熟悉計時器與光電門的操作方法：水平調整滑車位置一

6、第一次第二次第三次△x△tv滑車位置二第一次第二次第三次△x△tv滑車位置三第一次第二次第三次△x△tv牛頓第二運動定律驗證畫出你的實驗裝置示意圖固定砝碼質量，改變滑車質量M砝碼質量=gM=g第一次第二次第三次△x△t1△x△t2△ta固定總質量M+m，改變砝碼質量M+m=gm=g第一次第二次第三次△x△t1△x△t2△ta