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1、实验目的实验目的 掌握在斜面上用光掌握在斜面上用光电计时法法验证匀加速运匀加速运动的三个的三个基本公式、外推法基本公式、外推法验证牛牛顿第一定律的第一定律的实验方法;掌握方法;掌握光光电计时的基本原理;学会用的基本原理;学会用图解法解法处理理测量数据。量数据。第1页/共31页实验原理实验原理 匀加速运动的三个基本公式匀加速运动的三个基本公式 v=v0+2aS (1)(2)式中:v0,v分别表示物体在 t=0,t=t 时刻的速度。S是物体在 t 时间内通过的距离,a即为物体的加速度.在两个方程中消去时间t,就得到第三个方程 v2=v02+2aS (3)它可以表示为物体在匀加速度为a的运动中,相距
2、S的两点的速度分别为 v0,v。第2页/共31页实验原理实验原理物体作斜面运动,忽略斜面摩擦力,且 5,物体沿斜面的加速度a是重力加速度的分量:(4)当g,L,h均不变时,a即为常量,物体作匀加速运动。物体S光电门BgLh光电门A第3页/共31页实验原理实验原理按前式(3):v2 S,两者呈线性函数关系,图形上就是一条直线,不断改变S(S1,S2,S3,S4,S5,S6,),测取相应v2(v12,v22,v32,v42,v52,v62),在坐标纸上画出相应点,连线成近似直线,其斜率k为加速度的两倍,即2a。物体S光电门BLh光电门Av2(m/s)2S(m)a1v0a2第4页/共31页实验原理实
3、验原理由公式(4)可以看到:加速度a和h成线性关系,在ah图中利用外推法,当h=0时,a0。即导轨水平时,物体无外力作用,保持匀速直线运动。从而验证牛顿第一定律。a(m/s2)h(m)物体S光电门BLh光电门A第5页/共31页实验仪器1.气垫导轨和滑块 1套2.光电计时系统 1套3.垫块 3个第6页/共31页实验仪器实验仪器气垫导轨和滑块气垫导轨和滑块 气垫导轨的剖面是中空的铝制型材,两面有两排小气垫导轨的剖面是中空的铝制型材,两面有两排小孔。有压缩空气喷出,使滑块和导轨之间形成空气膜,孔。有压缩空气喷出,使滑块和导轨之间形成空气膜,产生一个近似于没有摩擦的环境。由此可模拟物体忽略产生一个近似
4、于没有摩擦的环境。由此可模拟物体忽略摩擦力时的摩擦力时的斜面运动,用于研究匀加斜面运动,用于研究匀加加速运动。这里的物体是加速运动。这里的物体是一个滑块。一个滑块。气垫导轨挡光片滑块压缩空气滑块挡光片第7页/共31页实验仪器实验仪器 光电计时系统光电计时系统用多功能计时器测量物体(滑块)的运动速度等参用多功能计时器测量物体(滑块)的运动速度等参数。它由两个光电门和主机构成。光电门与滑块上的档数。它由两个光电门和主机构成。光电门与滑块上的档光板配合,光板配合,光电门滑块挡光片气垫导轨可测取滑块滑过光可测取滑块滑过光电门的时间参数,电门的时间参数,经由主机进行数据经由主机进行数据处理处理后,显示相
5、应的时后,显示相应的时间间隔,间间隔,速度和加速度等测速度和加速度等测量值。量值。第8页/共31页实验仪器实验仪器 光电门的凹槽与档光片位置的调整光电门的凹槽与档光片位置的调整光电门滑块挡光片第9页/共31页实验仪器实验仪器 光电门的槽口上下装有光电发射器和光电门的槽口上下装有光电发射器和接收器,槽口未被遮挡时,接收器处于高接收器,槽口未被遮挡时,接收器处于高电平,反之处于低电平。跟滑块一起运动电平,反之处于低电平。跟滑块一起运动的挡光片是带有开口槽的(的挡光片是带有开口槽的(s s 是确定的)是确定的),当它通过一个光电门时产生两次挡光,当它通过一个光电门时产生两次挡光,形形成一个完整的脉冲
6、。当仪器测出这个脉冲成一个完整的脉冲。当仪器测出这个脉冲的周期值,即可由下式得出滑块通过光电的周期值,即可由下式得出滑块通过光电门的瞬时速度(近似值)。门的瞬时速度(近似值)。st第10页/共31页实验仪器实验仪器实验中我们使用的实验中我们使用的是华东师范大学科是华东师范大学科教仪器厂生产的教仪器厂生产的CSCSZ Z智能数字测试智能数字测试仪,实验中我们只仪,实验中我们只是使用其中的一种是使用其中的一种功能功能。第11页/共31页多功能计时器功能键多功能计时器功能键实验仪器“手动-自动”键要让手动灯亮;最左边的键要让上排的灯亮;“选择”键是功能选择,有19种功能选择;“执行”键是操作执行。第
7、12页/共31页有机玻璃垫块有机玻璃垫块实验仪器垫在导轨的一侧使之产生斜面。可组合使用产生从16cm的高度。2cm1cm3cm第13页/共31页在倾斜导轨上测量并绘制在倾斜导轨上测量并绘制v2-S要图,由图求加要图,由图求加速度速度a v2=v02+2aS实验内容固定导轨高度h=3cm,多次改变Si,测量对应的vi,作 vi2-Si 直线图,用两点法求直线的斜率k,根据上式求得加速度a,与公式:计算的加速度a 作相对误差的运算;将直线的截距开方与实测的初速度v 0作相对误差的运算。v2(m/s)2S(m)a1v02a2物体S光电门BLh光电门A第14页/共31页验证牛顿第一定律验证牛顿第一定律
8、实验内容固定滑块的移动路程S,多次改变导轨的高度hi,直接测量对应的ai,作 ai-hi 直线图,观察直线的外延虚线在 hi=0时是否指向零,如果为零,则验证了上式。物体S光电门BLh光电门Aa(m/s2)h(m)第15页/共31页操作指导1.多功能计时器的功能选择,测量绘制v2-S图并加速度a时,选择功能(4U:测量两个速度)按“选择键”直至出现“4U”;按“执行键”选择档光片宽度为2cm。再按“执行键”即可进行测量档光片通过两个光电门时的瞬st时速度v0和选vi。第16页/共31页操作指导2.调节导轨水平静态调节 光电门A置于靠近气源处约0.5m处,光电门B置于距离光电门A约0.5m处(远
9、离气源方向),打开气源后,滑块置于导轨中央,由静止状态释放,视其移动方向而调整水平调整螺丝(移动的方向要调高),使滑块趋于静止状态。L=100.00cm气垫导轨滑块气源光电门B光电门A水平调整螺丝约0.5mL=100.00cm第17页/共31页操作指导2.调节导轨水平动态细调 将滑块置于近气源侧,按下光电计数器的“执行键”,轻推滑块使之依次滑过光电门A和B,读取并比较两个瞬时速度v a和v b,数值大的这一侧偏低需抬高(调整水平调整螺丝)。如此反复多次测量调整,使两速度之差0.01m/s。气垫导轨滑块气源光电门B光电门A水平调整螺丝移动vavb第18页/共31页操作指导3.测量并绘制vi2Si
10、图,用图解法求加速度a 垫块h选用3cm,光电门位置固定,光电门置于S1处,滑块从固定位置S0开始释放,依次滑过光电门A和B,得到v0、v1,重复测量5遍,计算v1的平均值和v12,得到一组数据P1(S1,v12)。滑块气源光电门B光电门Av0滑块静止释放点S0S1v1h第19页/共31页操作指导多次改变光电门的位置,使Si分别为0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m。重复以上的实验步骤,可得6组实验数据P16(Si,vi2)。要求滑块每次都准确地在S0处由静止状态释放,保证v0一致,其 v0应0.01m/s。滑块气源光电门B光电门Av0滑块静止释放点S0S1S2S3S4S
11、5S6v1v2v4v3v5v6h第20页/共31页操作指导将P16(Si,vi2)作图于mm方格纸上,可得以下图形。用两点法求直线的斜率k,根据公式:v2=v02+2aS可计算出a。另外,根据公式:可计算出a的理论值a理,式中g=9.794m/s2,h=3.00cm,L=100.00m计算a的百分差Pav2(m/s)2S(m)a1v02a2第21页/共31页操作指导从图中作直线的外延线求其截距b,根据公式:v2=v02+2aS可求得v0,将其与实际测得的v0测,作相对误差Ev运算。v2(m/s)2S(m)a1v02a2第22页/共31页操作指导4.验证牛顿第一定律多功能计时器的功能选择(5-A
12、:直接测量a)st按“选择键”直至出现“5-A”;按“执行键”选择档光片宽度为2cm。再按“执行键”即可直接测量a。第23页/共31页操作指导光电门和位置均固定(例如S6),垫块h为1cm,滑块从固定位置S0开始释放,依次滑过光电门A和B,可从光电计数器直接读取a1。由此得到P1(h1,a1)。垫块经组合,其高度h可依次改变为:16cm,重复以上的实验步骤,可得6组实验数据P16(hi,ai)。滑块气源光电门B光电门A滑块静止释放点S0S6h第24页/共31页操作指导将P16(hi,ai)作图于mm方格纸上,可得以下图形。从图中作直线的外延线,观察其截距b是否为零。根据公式:其截距应该为零。a
13、(m/s2)h(m)第25页/共31页补充:补充:作图法作图法直观、形象直观、形象,准确度要差一些准确度要差一些.实验图线的绘制:实验图线的绘制:图纸大小的选择图纸大小的选择 坐标的标记和分度坐标的标记和分度 实验点的标志实验点的标志 图线的描绘图线的描绘 图线的注解和说明图线的注解和说明第26页/共31页图纸的描绘图纸的描绘第27页/共31页注意点:注意点:1.坐标轴的起点坐标不一定为零,原则是使作出的图线坐标轴的起点坐标不一定为零,原则是使作出的图线充满整个图纸。充满整个图纸。第28页/共31页2.2.坐标轴的分度:作图纸的最小分度坐标轴的分度:作图纸的最小分度代表有效数字准确数的最后一位。代表有效数字准确数的最后一位。3.3.实验点的标识必须明显、突出。实验点的标识必须明显、突出。例如,可以用例如,可以用“”等符号等符号。第29页/共31页图解法图解法:外推法:外推法:可以方便地得到实际上无法测量的点的量值。可以方便地得到实际上无法测量的点的量值。求经验公式:求经验公式:用解析法和图解法可以求得经验公式,也可以利用用解析法和图解法可以求得经验公式,也可以利用图解法求得截距和斜率,进而求得相应的物理量。图解法求得截距和斜率,进而求得相应的物理量。注意:不能用实验点求斜率。注意:不能用实验点求斜率。第30页/共31页感谢您的观看!第31页/共31页
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