CN112863308A

CN112863308A - 验证牛顿三大定律的实验装置

Info

Publication number: CN112863308A
Application number: CN202110108464.4A
Authority: CN
Inventors: 黄洪云; 刘志勇; 马玉青
Original assignee: Tangshan University
Current assignee: Tangshan University
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: CN112863308B

Abstract

一种验证牛顿三大定律的实验装置，包括斜面轨道机构和平面轨道机构，斜面轨道机构设于平面轨道机构上表面一侧；斜面轨道本体上有第一滑块；斜面轨道本体上表面有第一光电门和第二光电门；平面轨道本体上有第二滑块；平面轨道本体上面前端有定滑轮；第二滑块前面有弹簧，第二滑块后面固定细绳一端，细绳与托盘组合连接；托盘组合下面有压力传感器；平面轨道本体上一侧有第三光电门和第四光电门；斜面轨道本体下方有一竖直支架；斜面轨道本体下端有若干卡槽。这种实验装置结构简单，这一种实验装置能够实现对牛顿三大定律的依次验证，精准度高，客观性强，能够给学生呈现对牛顿三大定律比较直观的理解，结构简单，操作容易，成本低，效果好。

Description

验证牛顿三大定律的实验装置

技术领域

本发明涉及一种教学用具，尤其是一种物理教学中使用的验证牛顿三大定律的实验装置。

背景技术

物理教学中，牛顿三大定律是必须内容之一，为了让学生更加客观的了解定律内容，目前有很多相关教具进行演示，但是没有一套实验装置能够同时验证牛顿三大定律。其中，验证牛顿第一定律是让小车从斜面的同一高度自由下滑，在水平桌面上铺上不同粗糙程度的毛巾、棉布和木板，测量小车在不同表面移动的距离，据此判定小车受到的阻力对小车运动的影响，此实验过程没有具体数据做为论证；验证牛顿第二定律的装置是气垫导轨，由于气垫导轨调平过程复杂且气源噪音很大，且仪器笨重不能在课堂上进行演示实验，还有很多物理实验教学中用打点计时器打出几十条纸带经过繁琐的计算来验证牛顿第二定律，这样复杂的实验过程直接影响了教学效果；验证牛顿第三定律的实验中，传统的实验方法是用两个测力计相互对拉，测量几组瞬时数据，而两个测力计对拉的过程中很难读出弹簧测力计的示数。而且学生无法看到实验过程中拉力的变化情况，这样使学生理解起来抽象模糊，从而不能给学生更直观的印象。

发明内容

本发明是针对背景技术中提及的现有实验教具只能呈现单一牛顿定律的内容的缺陷，提供一种可以精确测量数据来验证牛顿三大定律的实验装置，采用这一种实验装置能够完成牛顿三大定律的验证。

本发明采用的技术方案是：一种验证牛顿三大定律的实验装置，包括斜面轨道机构和平面轨道机构，所述斜面轨道机构设置于所述平面轨道机构上表面的一侧；

所述斜面轨道机构包括斜面轨道本体、竖直支架；斜面轨道本体上面设置有第一滑块；斜面轨道本体上表面的一侧由上至下依次设置有第一光电门和第二光电门，所述第一光电门和第二光电门均与第一计数器连接；

所述平面轨道机构包括平面轨道本体、托盘组合；平面轨道本体上面设置有第二滑块；平面轨道本体的上面前端安装有定滑轮；第二滑块的前面设置有弹簧，第二滑块的后面固定细绳的一端，细绳绕过所述定滑轮与悬置于平面轨道本体下方的托盘组合连接；所述托盘组合下面设置有压力传感器；所述平面轨道本体上面的一侧沿长度方向依次设置有第三光电门和第四光电门，所述第三光电门和第四光电门均与第二计数器连接；

所述斜面轨道本体的下方设置有一实现支撑的竖直支架；所述斜面轨道本体的下端设置有若干个卡槽。

作为优选的技术方案：竖直支架为伸缩支架。

作为优选的技术方案：所述竖直支架包括外套管和内套管，内套管的顶部与倾斜轨道本体边缘底面固接；所述外套管和内套管的侧壁上沿高度方向分别均布有多个通孔，且二者通孔位置相对应；通孔上配设有卡销，实现不同高度的限位。

作为优选的技术方案：斜面轨道本体的下端设置卡槽，所述斜面轨道本体两边的下边缘分别设置有一缺口，整个斜面轨道本体呈“凸”字状结构，所述卡槽设置在所述缺口处；卡槽的下面与所述平面轨道本体上表面固接。

作为优选的技术方案：所述平面轨道本体的侧面设置有水平标尺。

作为优选的技术方案：所述平面轨道本体为长短可调的伸缩平面轨道。

作为优选的技术方案：所述平面轨道本体下面两侧边分别配设有一滑道，平面轨道本体与滑道之间为滑动配合。

与现有技术相比，本发明所公开的这种实验装置结构简单，这一种实验装置能够实现对牛顿三大定律的依次验证，精准度高，客观性强，能够给学生呈现对牛顿三大定律比较直观的理解，结构简单，操作容易，成本低，效果好。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中卡槽与轨道关系示意图。

图3为本发明中竖直支架结构示意图。

图4为本发明中第二滑块结构示意图。

图5为本发明中平面轨道本体与滑道关系示意图。

图6为本发明中斜面轨道本体的结构示意图。

图7为本你发明中第二滑块的主视图。

图中：斜面轨道本体1、平面轨道本体2、水平标尺3、竖直支架4、角度指示仪5、第一滑块6、第一道光电门7、第二个光电门8、第一计数器9、第一卡槽10、第二卡槽11、第三道光电门12、第四道光电门13、第二计数器14、定滑轮15、轻质细绳16、托盘17、砝码18、压力传感器19、第二滑块20、弹簧21。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见附图1-4，本发明所公开的这种实验装置包括斜面轨道机构和平面轨道机构，斜面轨道机构设置于平面轨道机构上表面的一侧。

斜面轨道机构包括斜面轨道本体1、竖直支架4。斜面轨道本体上面设置有第一滑块6；斜面轨道本体上表面的一侧由上至下依次设置有第一光电门7和第二光电门8，第一光电门和第二光电门均与第一计数器9连接；平面轨道机构包括平面轨道本体2、托盘组合；平面轨道本体上面设置有第二滑块20；平面轨道本体的上面前端安装有定滑轮15；第二滑块20的前面设置有尼龙粘扣，第二滑块的后面设置有弹簧21，弹簧的一端通过连接件固定在第二滑块表面上，另一端设置有一铁环，铁环固定细绳的一端，细绳绕过定滑轮与悬置于平面轨道本体下方的托盘组合连接，托盘组合包括托盘17和砝码18，托盘17下面设置有压力传感器19。平面轨道本体上面的一侧沿长度方向依次设置有第三光电门12和第四光电门13，第三光电门12和第四光电门13均与第二计数器14连接。斜面轨道本体的下方设置有一实现支撑的竖直支架4。斜面轨道本体的下端设置卡槽。斜面轨道本体两边的下边缘分别设置有一缺口，整个斜面轨道本体呈“凸”字状结构，所述卡槽设置在缺口处；卡槽的下面与平面轨道本体上表面固接。斜面轨道本体两侧缺口处插装在所述卡槽的槽体内，其中部凸出部位与所述平面轨道本体无缝连接。卡槽的侧面呈“凹”字状结构，斜面轨道本体的下边缘两侧缺口插装在卡槽内。

第一计数器和第二计数器均为电脑通用计数器，主要用来测定运动滑块的运动速度和运动时间。

作为一个优选的实施例，竖直支架为伸缩支架。竖直支架包括外套管4-1和内套管4-2，内套管的顶部与倾斜轨道本体边缘底面固接。外套管和内套管的侧壁上沿高度方向分别均布有多个通孔4-3，且二者通孔位置相对应；通孔上配设有卡销4-4，实现不同高度的限位。

作为优选方案，平面轨道本体的侧面设置有水平标尺3。平面轨道本体为长短可调的伸缩平面轨道。作为优选的一个实施例，如附图5所示，平面轨道本体下面两侧边分别配设有一滑道，该滑道一般采用金属滑轨，平面轨道本体与滑道之间为滑动配合，这样平面轨道可以沿滑轨左右移动，进而根据需要来调节水平轨道的长度。

利用本发明所公开的这种实验装置进行实验时，具体操作和论证方法如下：

斜面轨道和平面轨道的材质为木板，此种材料表面的摩擦系数为，调节平面轨道的两道光电门7、8的水平距离为S，S的具体数值由水平标尺3读出，质量为m的第二滑块20，压缩第二滑块20最前端的弹簧21，使其获得初速度，由于滑块与木板接触面存在摩擦力，第二滑块20会在摩擦力的作用下减速通过平面轨道的两道光电门12、13，通过两个光电门的瞬时速度分别为V₀和V，由第二计数器14记录，则由动能定理可以求出木板接触面的摩擦系数，即：

从而精确求出木板表明的摩擦因数。所有的验证过程斜面轨道的材质均为木板，即斜面轨道与滑块的摩擦因数为，调节斜面轨道的角度指示仪，使斜面轨道倾角α满足：斜面上第一滑块6受力平衡，即：

μmg cosα＝mg sina

第一计数器9记录第一滑块6通过斜面轨道的两道光门7、8的瞬时速度为v₁，因为滑块在斜面轨道上匀速运动。在验证牛顿第一定律的三个实验过程中下滑的滑块均以速度v₁由斜面轨道进入平面轨道。

第一个实验过程，在平面轨道铺上棉布，第二滑块20以速度v₁在₁mg的作用下减速运动直至减速为0，其中₁为棉布表面的摩擦因数。如果通过水平标尺读出第二滑块20在平面轨道上的运动距离为l₁，由动能定理有：

第二个实验过程，平面轨道为木板材质，通过平移调节轨道长度，滑块同样以速度v₁从斜面轨道运动至平面轨道上，在平面轨道从v₁减速为零。为木板表面的摩擦因数，第二滑块20在平面轨道运动距离为l，由动能定理有：

第三个实验过程中，调节平面轨道的长度，并在平面轨道上铺上玻璃，滑块以速度v₁在₂mg的作用下减速运动直至减速为0，₂为玻璃表面的摩擦因素，第二滑块20在玻璃平面轨道运动距离l₂，由动能定理有：

三个实验表明，滑块与棉布间的摩擦因数最大，运动距离最短；木板次之，而滑块与玻璃间的摩擦因数最小，运动距离最长。上述三个实验过程可以推断：摩擦力改变了滑块的运动状态，如果滑块与接触面足够光滑块将以速度v₁无限运动下去，且这种运动不需要力来维持，力是改变物体运动状态的原因，如果不受外力的作用，物体将永远保持静止或匀速直线运动。

牛顿第二定律的验证直接在平面轨道上进行，若已知运动滑块的质量M是一定的，由于平面木板轨道的摩擦因数为μ，则滑块与平面轨道间的摩擦力为μMg,先在托盘上加一定质量的砝码以平衡掉平面轨道与滑块间的摩擦力μMg，砝码的重力由压力传感器精确测定，保持滑块的质量M不变，一次增大轻质细绳对滑块的拉力为F₁、F₂、F₃……F_n，第二计数器14记录不同拉力下第二滑块20通过平面轨道光电门12、13的瞬时速度分别为v₂₁、v₃₁(拉力F₁作用下滑块通过光电门12、13的瞬时速度)，v₂₂、v₃₂，v₂₃、v₃₃……(拉力F_n作用下滑块通过光电门12、13的瞬时速度)，两光电门的水平距离s由水平标尺3读出，不同拉力作用下的运动的位移为s，则滑块的加速度由运动学公式计算，拉力F₁作用产生的加速度a₁,拉力F_n作用产生的加速度a_n,则：

由此求得一定质量的滑块在不同拉力作用下获得的加速度a₁、a₂、……a_n，描绘滑块的加速度a与外力F的关系曲线，可以证明滑块的质量M一定，a与F成正比。

先平衡掉滑块与平面轨道间的摩擦力uM₁g、uM₂g……uM_ng，改变滑块质量为M₁、M₂……M_n，而使滑块产生加速度的拉力F不变，同样测定不同质量的滑块M₁、M₂……M_n经过12、13两光电门的速度为v₂₁’、v₃₁’(质量为m₁的滑块经过光电们12、13的速度)，v₂₂’、v₃₂’……v_2n’、v_3n’，两光电门间距离为s，设M₁、M₂……M_n运动位移s产生的加速度分别为a₁’、a₂’……an’则：

2'a₁s＝v'₂₁ ²-v'₃₁ ²

2'a₂s＝v'₂₂ ²-v'₃₂ ²

……

2a'_ns＝v'_2n ²-v'_3n ²

根据上式可求得不同质量的滑块在拉力F作用下获得胡加速度a₁’、a₂’……an’，描绘a-M曲线，可以证明加速度a与滑块质量M成反比。

牛顿第三定律，第一滑块6的质量M₆和第二滑块20的质量M₂₀由压力传感器测定，调节斜面角度指示仪ɑ使第一滑块6从斜面轨道匀速下滑，运动至平面轨道在第三光电门12之前与第二滑块20进行碰撞，为了实现两个滑块粘接，本实施例在两个滑块的相撞面粘接尼龙粘扣，两滑块碰撞过程粘扣会粘在一起,由于第一滑块6末端和第二滑块20前端粘扣，

牛顿第二定律：

滑块6：

滑块20：

根据受力分析和数据求出第二滑块20对第一滑块6的作用力F_20-6，以及第一滑块6对第二滑块20的作用力F_6-20，这两个作用力与反作用力大小相等方向相反且在同一直线上，由此证明牛顿第三定律成立。

Claims

1.一种验证牛顿三大定律的实验装置，包括斜面轨道机构和平面轨道机构，其特征在于：所述斜面轨道机构设置于所述平面轨道机构上表面的一侧；

2.根据权利要求1所述的验证牛顿三大定律的实验装置，其特征在于，所述竖直支架为伸缩支架。

3.根据权利要求2所述的验证牛顿三大定律的实验装置，其特征在于，所述竖直支架包括外套管和内套管，内套管的顶部与倾斜轨道本体边缘底面固接；所述外套管和内套管的侧壁上沿高度方向分别均布有多个通孔，且二者通孔位置相对应；通孔上配设有卡销，实现不同高度的限位。

4.根据权利要求1所述的验证牛顿三大定律的实验装置，其特征在于，斜面轨道本体的下端设置卡槽，所述斜面轨道本体两边的下边缘分别设置有一缺口，整个斜面轨道本体呈“凸”字状结构，所述卡槽设置在所述缺口处；卡槽的下面与所述平面轨道本体上表面固接。

5.根据权利要求1所述的验证牛顿三大定律的实验装置，其特征在于，所述平面轨道本体的侧面设置有水平标尺。

6.根据权利要求1所述的验证牛顿三大定律的实验装置，其特征在于，所述平面轨道本体为长短可调的伸缩平面轨道。

7.根据权利要求6所述的验证牛顿三大定律的实验装置，其特征在于，所述平面轨道本体下面两侧边分别配设有一滑道，平面轨道本体与滑道之间为滑动配合。