CN102509495A - 牛顿第二定律验证装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牛顿第二定律验证装置。其特征在于用光电门A(5)同时作为数字毫秒计A(1)和数字毫秒计B(2)计时开始的开关：光电门A(5)、光电门B(6)、光电门C(7)依次固定在钢板(3)上，作为数字毫秒计A(1)和数字毫秒计B(2)的计时开关，记录小车(4)在钢板(3)上加速运动的时间，用于计算小车(4)加速度。改变垫板(8)位置，保持小车(4)质量不变，可验证质量一定时加速度与合力成正比。同时改变垫板(8)位置和小车(4)质量并保持合力一定，可验证合力一定时加速度与质量成反比。它可以用于物理学中的牛顿第二定律验证实验。

Description

牛顿第二定律验证装置

所属技术领域

本发明涉及一种牛顿第二定律验证装置。

背景技术

在中学和大学的力学实验，通常用重物拉小车在平面或者气垫导轨上加速运动来验证牛顿第二定律。通过改变滑块质量或者重物质量，可以定量研究物体加速度与其质量及所受合力之间的关系。但是上述实验过程中，重物重力和滑轮转动惯量引起的系统误差很难被消除，实验过程中的偶然误差也比较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种牛顿第二定律验证装置，此装置无重物重力和滑轮惯量引起的系统误差，实验过程中的偶然误差也被减小。

本发明采用的技术方案是：让装有细沙的小车利用自身重力在斜面上加速运动，用两个数字毫秒计测量小车的运动时间。

让装有细沙的小车在斜面(斜面与水平面的夹角为θ)上做匀加速直线运动，假设运动到A点时的速度为v₀，AB距离为0.5m，运动时间为t₁(用数字毫秒计A测量)，AC距离为1m，运动时间为t₂(用数字毫秒计B测量)，用同一个光电门作为数字毫秒计A和B的开始计时开关。由运动学知识可知：

$\left.\begin{array}{c}0.5=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{{\mathrm{at}}_1}^2\\ 1=v_0{t}_2+\frac{1}{2}{{\mathrm{at}}_2}^2\end{array}\right\}\→a=\frac{2t_1-t_2}{t_1{t}_2(t_2-t_1)}---\left(1\right)$

如果小车质量为m(小车净质量和细沙质量之和)，则小车所受的合力为：

F_合＝mg sinθ-μmg coSθ                (2)

保持小车质量不变，改变θ，利用(2)式计算出F_合；用数字毫秒计A、B测量出t₁和t₂，利用(1)式计算出a，可验证“质量一定时加速度与合力成正比”。

保持F_合不变，改变θ值，利用(2)式计算出小车质量，并用加减细沙实现此质量；用数字毫秒计A、B测量出t₁和t₂，计算出a，可验证“合力一定时加速度与质量成反比”。

(1)重物重力和滑轮惯量引起的系统误差的消除

本方案利用小车重力使小车加速运动，不需要挂载重物，也不需要使用滑轮，所以不存在重物重力和滑轮惯量引起的系统误差。

(2)偶然误差的减小

由(1)式和(2)式可以看出，此方案在验证牛顿第二定律过程中，不受摩擦力和v₀(小车达到A点的速度)的影响，不需要平衡摩擦力，也不需要严格控制小车的启动时间和位置，所以实验过程中的偶然误差明显减小了。

本发明的有益效果是，能够比较精确地验证牛顿第二定律。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步对本发明进行说明。图1为本发明的截面图。

图中1.数字毫秒计A，2.数字毫秒计B，3.钢板，4.小车，5.光电门A，6.光电门B，7.光电门C，8.垫板，9.水平桌面。

具体实施方式

在图1中，垫板(8)最右端与水平桌面(9)的交点用点A表示，钢板(3)与水平桌面(9)的交点用点B表示，AB间的距离为s米。垫板(8)的高度为h米，钢板(3)与水平桌面(9)间的夹角为θ。可以推得： $\sin \mathrm{\θ}=h/\sqrt{s^2+h^2},$ $\cos \mathrm{\θ}=s/\sqrt{s^2+h^2},$

光电门A(5)、光电门B(6)、光电门C(7)分别固定在钢板(3)上，光电门A(5)与光电门B(6)的距离为0.5m，光电门A(5)与光电门C(7)的距离为1.0m。

质量一定时加速度与合力成正比的验证：

保持小车(4)质量不变，改变垫板(8)的位置，测量出s，用

计算出小车所受合力。让小车在光电门A(5)的前方开始加速运动，当小车最右端运动到光电门A(5)，数字毫秒计A(1)和数字毫秒计B(2)同时开始计时，当小车最右端运动到光电门B(6)时，数字毫秒计A(1)计时结束，读数为t₁，当小车最右端运动到光电门C(7)时，数字毫秒计B(2)计时结束，读数为t₂，用

计算出小车的加速度。每改变一次垫板(8)的位置，得到一组F_合，a，测量几组数据后就可以验证“质量一定时加速度与合力成正比”。

合力一定时加速度与质量成反比的验证：

保持小车(4)所受合力为F₀不变，由

可得 $m=\frac{F_0\sqrt{s^2+h^2}}{(h-\mathrm{\μs})g}.$ 改变垫板(8)的位置，测量出s，并用

计算出小车(4)的质量，然后用加减细沙来实现小车(4)质量的变化。让小车在光电门A(5)的前方开始加速运动，当小车最右端运动到光电门A(5)，数字毫秒计A(1)和数字毫秒计B(2)同时开始计时，当小车最右端运动到光电门B(6)时，数字毫秒计A(1)计时结束，读数为t₁，当小车最右端运动到光电门C(7)时，数字毫秒计B(2)计时结束，读数为t₂，用计算出小车的加速度。每改变一次垫板(8)的位置，得到一组m，a，测量几组数据后就可以验证“合力一定时加速度与质量成反比”。

Claims (2)

1.一种牛顿第二定律验证装置，光电门A(5)、光电门B(6)、光电门C(7)依次固定在钢板(3)上，作为数字毫秒计A(1)和数字毫秒计B(2)的计时开关，记录小车(4)在钢板(3)上加速运动的时间，用于计算小车(4)的加速度，改变垫板(8)位置可验证质量一定时加速度与合力成正比，同时改变垫板(8)位置和小车(4)质量并保持合力一定，可验证合力一定时加速度与质量成反比，其特征是：用数字毫秒计A(1)和数字毫秒计B(2)分别记录小车的运动时间。

2.根据权利要求1所述的顿第二定律验证装置，其特征是：用光电门A(5)同时作为数字毫秒计A(1)和数字毫秒计B(2)的开始计时开关。

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