利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)報(bào)告-中國(guó)石油大學(xué)華東

利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證牛頓第二定律【摘要】：氣墊導(dǎo)軌是為研究無(wú)摩擦現(xiàn)象而設(shè)計(jì)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在導(dǎo)軌表面分布著許多小孔，壓縮空氣從這些小孔中噴出，在導(dǎo)軌和滑塊之間形成了月0.1mm厚的空氣層，即氣墊，由于氣墊的形成，滑塊被托起，使滑塊在氣墊上作近似無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)。利用氣墊導(dǎo)軌，再配以光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)和其他輔助部件，可以對(duì)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體（即滑塊）進(jìn)行許多研究，如測(cè)定速度、加速度、驗(yàn)證牛頓第二定律，研究物體間的碰撞，研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律等。【關(guān)鍵詞】氣墊導(dǎo)軌、通用計(jì)數(shù)器、測(cè)速的試驗(yàn)方法、牛頓第二定律、控制變量法、導(dǎo)軌調(diào)平實(shí)驗(yàn)回顧【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．熟悉氣墊導(dǎo)軌和MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計(jì)的使用方法。2．學(xué)會(huì)測(cè)量滑塊速度和加速度的方法。3．研究力、質(zhì)量和加速度之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)滑塊加速度驗(yàn)證牛頓第二定律?！緦?shí)驗(yàn)原理】（一）儀器使用原理1．氣墊導(dǎo)軌如圖4-1所示，氣墊導(dǎo)軌是一種摩擦力很小的實(shí)驗(yàn)裝置，它利用從導(dǎo)軌表面小孔噴出的壓縮空氣，在滑塊與導(dǎo)軌之間形成很薄的空氣膜，將滑塊從導(dǎo)軌面上托起，使滑塊與導(dǎo)軌不直接接觸，滑塊在滑動(dòng)時(shí)只受空氣層間的內(nèi)摩擦力和周?chē)諝獾奈⑷跤绊?，這樣就極大地減少了力學(xué)實(shí)驗(yàn)中難于克服的摩擦力的影響，滑塊的運(yùn)動(dòng)可以近似看成無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度大為提高。圖4-1氣墊導(dǎo)軌裝置圖2．MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計(jì)在用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中，我們采用MUJ-613電腦式數(shù)字毫秒計(jì)測(cè)量時(shí)間。利用它的測(cè)加速度程序，可以同時(shí)測(cè)量出滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間及滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)之間的時(shí)間間隔。使用計(jì)數(shù)器時(shí)，首先將電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)（后板面），連續(xù)按功能鍵。使得加速度功能旁的燈亮，氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣后，使裝有兩個(gè)擋光桿的滑塊依次通過(guò)氣墊導(dǎo)軌上的兩個(gè)光電門(mén)計(jì)數(shù)器按下列順序顯示測(cè)量的時(shí)間：顯示字符含義單位1通過(guò)第一個(gè)光電門(mén)的速度cm/s(亮)××·××2通過(guò)第二個(gè)光電門(mén)的速度cm/s(亮)××·××1—2在第一和第二個(gè)光電門(mén)之間運(yùn)動(dòng)的加速度cm/s2(亮)××·××若不是要求的單位亮則按轉(zhuǎn)換鍵即可顯示要求的單位。（二）驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是在已知某一理論的條件下進(jìn)行的。所謂驗(yàn)證是指實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果的完全一致，這種一致實(shí)際上是實(shí)驗(yàn)裝置、方法在誤差范圍內(nèi)的一致。由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)水平的限制，有時(shí)可以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果之差超出了實(shí)驗(yàn)誤差的范圍，因此驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是屬于難度很大的一類(lèi)實(shí)驗(yàn)，要求具備較高的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)水平。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)直接測(cè)量牛頓第二定律所涉及的各物理量的值，并研究它們之間的定量關(guān)系，進(jìn)行直接驗(yàn)證。1．速度的測(cè)量懸浮在水平氣墊導(dǎo)軌上的滑塊，當(dāng)它所受合外力為零時(shí)，滑塊將在導(dǎo)軌上靜止或作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在滑塊上裝兩個(gè)擋光桿如圖4-2所示，當(dāng)滑塊通過(guò)某一個(gè)光電門(mén)時(shí)，第一個(gè)擋光桿擋住照在光電管上的光，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)另一個(gè)擋光桿再次擋光時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)停止，這樣計(jì)數(shù)器數(shù)字顯示屏上就顯示出兩個(gè)擋光桿通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間Δt。圖4-2滑塊如果兩個(gè)擋光桿軸線(xiàn)之間的距離為ΔL，可以計(jì)算出滑塊通過(guò)光電門(mén)的平均速度為：（1-1）由于ΔL比較?。?cm左右），在ΔL范圍內(nèi)滑塊的速度變化很小，所以可把看做滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)的瞬時(shí)速度。2．加速度的測(cè)量在氣墊導(dǎo)軌上，設(shè)置兩個(gè)光電門(mén)，其間距為S。使受到水平恒力作用的滑塊（做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)）依次通過(guò)這兩個(gè)光電門(mén)，計(jì)數(shù)器可以顯示出滑塊分別通過(guò)這兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間Δt1、Δt2及通過(guò)兩光電門(mén)的時(shí)間間隔Δt?；瑝K滑過(guò)第一【實(shí)驗(yàn)誤差討論】空氣阻力的影響，滑塊運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中總會(huì)受到空氣阻力的影響，無(wú)法到達(dá)理想狀況。做實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度氣壓等外在因素的影響，使得g的理論值不是那么準(zhǔn)確驗(yàn)證牛頓第二定律時(shí)，砝碼盤(pán)的質(zhì)量因?yàn)椴豢芍苯臃诺教炱缴戏Q(chēng)量，可能不是那么準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)存在系統(tǒng)誤差和讀書(shū)上的誤差【實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)】實(shí)驗(yàn)中采用氣墊導(dǎo)軌大大減小了實(shí)驗(yàn)的摩擦誤差，這樣能夠使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。試驗(yàn)中分別從質(zhì)量一定，控制力的大小和力的大小一定，質(zhì)量改變做運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)施實(shí)驗(yàn)，更加增加了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和全面性?！拘〗Y(jié)】做實(shí)驗(yàn)時(shí)，擋光片的選擇需要根據(jù)第一組數(shù)據(jù)中的誤差關(guān)系來(lái)選擇。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要講究細(xì)心、耐心，千萬(wàn)不可心浮氣躁，值得一提的是在氣墊導(dǎo)軌調(diào)平的時(shí)候要仔細(xì)觀(guān)察，分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)使得滑塊靜止或者左右微微擺動(dòng)，細(xì)調(diào)要使t1<t2.。實(shí)驗(yàn)過(guò)