.wd.中国石油大学华东现代远程教育实验报告课程名称：大学物理(一)实验名称：速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证实验形式：在线模拟+现场实践提交形式：提交书面实验报告学生姓名：学 号：年级专业层次：2016春 高起专 石油化工技术学习中心：提交时间： 2016年 10月 28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 根本工作原理，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 根本实验方法。二、实验原理1速度的测量 一个作直线运动的物体，如果在tt+t时间内通过的位移为xxx+x，那么该物体在t时间内的平均速度为，t越小，平均速度就越接近于t时刻的实际速度。当t0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t0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x，测量对应时间间隔t，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x为定值约10mm，用光电计时系统测出通过x所需的极短时间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，那么加速度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，那么加速度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SSxx0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场运动，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一样。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。设滑块局部的质量为，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，那么有 6式中a为运动系统的加速度，根据式6有 7在式7中，假设令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，那么式7即为式5F=ma。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那么验证了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aF关系图，假设为直线，那么可验证式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那么验证了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，假设为直线，那么可验证式10，即a与m成反比。如果式8和式10均被验证，那么式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那么说明实验验证了理论；否那么，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。三、实验器材气垫导轨、光电计时系统、滑质量块铁块等块、砝码、。四、实验内容1实验内容在本实验装置的条件下，设计测量滑块在气垫导轨上运动所受空气阻力的实验方案。 2设计要求1阐述 根本实验原理和实验方法；2说明 根本实验步骤；3进展实际实验测量；4说明数据处理方法，给出滑块运动所受的阻力与运动速度的关系；5分析和讨论实验结果。五、实验数据12根据气垫导轨水平调节数据，判断导轨是否水平，分析原因。3每一合外力和每一总质量情况下，分别计算加速度的理论值、实验值和相对百分误差，分析实验结果，判断是否验证了式8和式10。4作图法判断理论与实验是否相符。用直角坐标纸或计算机分别作和关系图线，判断实验是否验证了理论。通过求斜率分别计算出总质量和合外力的实验值，与实际值理论值对比，分别计算相对百分误差和。5直接计算法判断理论与实验是否相符。任选其中一种合外力和一种总质量情况下，分别计算实验值的不确定度和理论值的不确定度，判断是否成立，分析实验是否能够验证理论。6分析讨论实验结果，说明实验是否验证了牛顿第二定律。六、结论1、验证了牛顿第二定律。2、关于滑块所受的气体阻力与滑块运动速度的关系成立备注：该报告纳入考核，占总评成绩的10%。