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速度、加速度的测定和牛顿运动定律的验证


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: 年级专业层次: 学习中心: 学 号:

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一、实验目的 1、学习气垫导轨和电脑计数器的使用方法。 2、在气垫导轨上测量物体的速度和加速度,并验证牛顿第二定律。

二、实验原理 (1) 用天平测出小车和小桶的质量 M 和 M′,记录数据,在小车上加砝码,小桶里放入 适量的沙,使小桶和沙的总质量远小于小车和砝码的总质量,把砝码和沙的质量 m 和 m′ 记下来. (2) 按照图把实验器材安装好,只是不把悬挂小桶用的细绳系在车上,即不给小车加牵 引力. (3) 平衡摩擦力,在长木板的不带定滑轮的一端下面垫小木垫,反复移动木垫的位置, 直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态. 这时, 小车拖着纸带运动时受到的摩 擦阻力恰好与小车所受的重力在沿斜面方向上的分力平衡. (4) 把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶. 接通电源,放开小车,打点计时器在纸带 上打下一系列的点. 取下纸带,在纸带上标上该纸带的号码. (5) 保持小车的质量不变,改变沙的质量,即改变小车所受牵引力,再做几次实验. 在 实验中一定要使沙和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量.在每条纸带上都选取一段比 较理想的部分,按照“研究匀变速直线运动”实验中求加速度的方法,计算出各条纸带对应 的加速度的值. 根据实验数据,画出小车所受牵引力,即桶和沙的总重力(M′+ m′)g 跟小 车加速度 a 之间关系的图

三、实验器材 打点计时器,纸带及复写纸片,小车,附有定滑轮的长木板,薄木垫,小桶,细绳,沙,学 生天平(带一套砝码)刻度尺,砝码

四、实验内容 像 a—F 图像. (6) 保持沙和小桶质量不变,在小车上加砝码,重复上面的实验,然后画出质量倒数 与加速度 a 之间关系 a— 的图像. 3. 注意事项 (1) 使沙和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量. (2) 平衡摩擦力时不要挂小桶,应连着纸带,且接通电源. 判断小车是否作匀速直线运 动可以直接观察, 也可以用打点计时器打出的纸带判定(各点间间距相等). (3) 小车应紧靠打点计时器,先接通电源后才放手. (4) 画 a—F 和 a— 图像时,应使所描的点均匀分布在直线两侧. 4。 难点突破: (1). 数据处理 需要计算各种情况下所对应的小车加速度时,使用“研究匀变速直线运动”的方法, 先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据公式 a= 计算加速度.

需要记录各组对应的加速度与小车所受牵引力 F,然后建立直角坐标系,纵坐标表示加 速度 a,横坐标表示作用力 F,描点画 a—F 图像,如果图像是一条直线,便证明 T 加速度与 作用力成正比. 再记录各组对应的加速度与小车和砝码总质量, 然后建立直角坐标系, 用纵坐标表示加 速度 a,横坐标表示总质量的倒数 证明了加速度与质量成反比 五、实验数据 ①研究加速度与质量成反比,跟力成正比实验中所采用的牵引力由细绳来提供,而计算 时,采用的是桶和沙所受的总重力(M′+m′)g,这二者之间存在着差异,当桶和沙通过细 绳与小车一起运动时,由于桶和沙也做匀加速直线运动,故其所受合外力不为零,即(M′ +m′)g>F. F 为细绳上的张力,也是细绳对小车的拉力. 因此,用这种方法得到的结果必然 存在误差. 因此本实验要求桶和沙的总质量远小于车和砝码的质量,此时(M′+m′)相对于 (M+m)可以忽略, 则(M′+m′)a 相对于(M+m)a 可以忽略, F 近似等于(M′+m′)g. 因此, 即 理论上说,桶和沙的总质量与小车和砝码的总质量相比越小,误差越小. ②平衡摩擦力时,如果忘记了这一步,就会出现如图甲所示的 a—F 图像,这种情况下, 直线不过原点. 但是如果平衡摩擦力时斜面倾角过大,也造成误差,形成如图乙所示的 a—F 图像,因此实验中如果出现图示的情况,应检查平衡摩擦力造成的偏差. 三、好题精析 例题 1.某同学设计了一个探究加速度与物体所受合力 F 及物体质量 m 的关系实验。如图 (a)所示为实验装置简图。A 为小车,B 为打点计时器,C 为装有沙的沙桶,D 为一端带有定 滑轮的长方 形木板,实 验中认为细 绳对小车拉 力 F 等于沙 和沙桶总重 ,描点画 a— 图像,如果图像是一条直线,就

量,小车运动加速度 a 可用纸带上的点求得。 (1)图(b)为某次实验得到的纸带(交流电的频率为 50Hz),试由图中数据求出小车运动的加速 度 a=_______m/s2。 (2)保持沙和沙桶质量不变,改变小车质量 m, 分别得到小车运动的加速度 a 与质量 m 及 对 应的 1/m 数据如下表 1 2 3 4 5 6 7 8 次数 2 1.7 1.4 1.2 1.0 0.7 0.5 0.3 小车加速度 a(m/s ) 1.9 0 2 9 5 0 5 0 0 0.2 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1.0 1.6 小车质量 m(kg) 5 9 3 0 0 1 0 7 1/m(kg-1) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.4 1.0 0.6 0 0 0 0 0 0 0 0 根据上表数据,为直观反映 F 不变时 a 与 m 的关系,请在方格坐标纸(c)中选择恰当物理量 建立坐标系,并作出图线。从图线中得到 F 不变时小车加速度 a 与 l/m 之间定量关系式为 ___________。 (3)保持小车质量不变,改变沙和沙桶的重量,该同学根据实验数据作出 l 了加速度 a 与合力 F 图线如图(d)所示,该图线不通过原点,明显超出偶然误差范围,其主要原因是__________. 四.变式迁移 1.某学生想了解所居住高楼内电梯运行的 大致规律, 他设计一个利用体重计来进行测 量和研究的方案: (1) 把体重计平放在电梯的地板上,他 站在体重计上,请两位同学协助他 观察体重计示数的变化情况,并记 录电梯运行时不同时刻体重计的示 数。 (2) 将两位同学随机记录的 7 个数据列 表,由于不知记录时刻的先后,故表格数据按从小到大的次序排列,并相应标明 t1、 t2……t7.(记录时电梯作平稳运动) (3) 对实验数据进行分析研究,了解电梯的运行情况,并粗略测定电梯的加速度。思考 回答下列问题: ①在测量时该学生所受的重力将____________(填“变大”“变小”“不变” 、 、 ) ②如果先记录到的是较小的示数, 后记录到的是较大的示数, 则记录时电梯相应的运动可能 是 A. 先加速下降后匀速下降 B.先匀速下降后减速下降 C.先匀速上升后减速上升 D.先加速上升后匀速上升 观察次数 1 2 3 4 5 6 7 时刻 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 体重计读数(N) 449 450 450 549 550 551 551

③由于每部电梯运行时加速度都是设定好的, 如果要知道该高楼电梯的加速度, 还需要测定 物理量是________

六、结论 1、关于牛顿第二定律的验证。 2、关于滑块所受的气体阻力与滑块运动速度的关系

备注:该报告纳入考核,占总评成绩的 10%。


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