CN201174183Y - 一种验证牛顿第二定律的验证仪器 - Google Patents

Abstract

一种验证牛顿第二定律的验证仪器。由下向上分别由水平调整螺丝、水平底板、可升降垫块、铰链、中旋转基板、可移动尖劈、上旋转导轨、活动卡口、可导向滑块或小车、缓冲挡板组成，其特征是：中旋转基板一端通过铰链与水平底板铰接，另一端被可升降垫块支撑；可移动尖劈放置在中旋转基板的活动段；上旋转导轨一端通过活动卡口相对中旋转基板旋转，另一端被可移动尖劈的斜边支撑。通过可移动尖劈的上的刻度，方便得出上旋转导轨上向下滑动的滑块或小车所受的合力Mg(sinθ－μcosθ)的相对数值或绝对数值。该实验设计不存在传统实验中的实验原理不完善的系统误差。

Description

一种验证牛顿第二定律的验证仪器

技术领域

本实用新型专利提出了一种验证牛顿第二定律的验证仪器(验证a-F、a-1/M关系)，用于高中或大学的物理实验教学中，没有传统实验中实验原理不完善的系统误差。可以把该验证仪器用于探索牛顿第二定律、探索动量定理、探索动能定理的实验中。

背景技术

目前，常用的牛顿第二定律的验证方法如附图图1所示，由1.重物2.绳子3.定滑轮4.小车5.滑板，认为重物1的重力等于绳子2对小车4的拉力，实际上只有重物1的质量远小于斜面上小车4的质量时，两者才近似相等.这就是传统实验中实验原理不完善的系统误差。为了减少该系统误差，左边悬挂的重物1的质量的可调整范围很小，测量的数据只能集中在一个很小的区域。由于数据很集中，很难看出趋势，总结规律很勉强。老师们的实际实验结果常常是：实验的a-F、a-1/M图线既不是直线，也不经过坐标原点。

发明内容

为了克服传统实验中实验原理不完善的系统误差，本发明专利提出了一种验证牛顿第二定律的实验模型和测量方法、验证仪器，利用该实验方法没有传统实验中实验原理不完善的系统误差，只要实验者操作规范，实验的a-F、a-1/M为直线，且经过坐标的原点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种验证牛顿第二定律的验证仪器，由下向上分别由水平调整螺丝、水平底板、可升降垫块、铰链、中旋转基板、直角可移动尖劈、上旋转导轨、活动卡口、可导向滑块或小车、缓冲挡板组成，中旋转基板一端通过铰链与水平底板铰接，另一端被可升降垫块支撑；直角可移动尖劈放置在中旋转基板的活动端；上旋转导轨一端通过活动卡口相对中旋转基板旋转，另一端被直角可移动尖劈的斜边支撑。

所述的直角可移动尖劈上刻有刻度。

使用时，首先将中旋转基板绕铰链微旋转定位，利用数字毫秒计(或打点计时器)的监控，使其倾角等于小车或滑块沿斜面匀速下滑对对应的斜面的倾角，然后上旋转导轨通过活动卡口相对中旋转基板形成第二次旋转，上旋转导轨的另一端被直角可移动尖劈的斜边支撑，通过直角可移动尖劈上的刻度，得出上旋转导轨上向下滑动的滑块或小车所受的合力Mg(sinθ-μcosθ)的相对数值或绝对数值。利用数字毫秒计(或打点计时器)测量小车或滑块的加速度、速度、运动时间，就可以验证牛顿第二定律、动量定理、动能定理。

本实用新型的有益效果是：验证牛顿第二定律的a-F、a-1/M关系，实验的数据区域大，画出的a-F、a-1/M图线为直线，只要实验者操作规范，实验图线基本经过坐标原点，而且没有传统实验中实验原理不完善的系统误差。

附图说明

下面结合附图和实施对本发明专利作进一步说明.

图1是现在课本中的实验模型.。

图2是本发明专利的实验模型。

图3是本发明专利所需要测量的数据及实验原理的直观说明.

图4是是本发明专利实验仪器的总装图。

图5是实验操作过程需要的一个实验图，图中各装置为：21.铁架台、22.弹簧秤、16.上旋转导轨、17可导向滑块

图4中各部分部件的作用：

9、10、11：水平调整螺丝。通过调整，保证水平底板12水平。

12：水平底板。与水平调整螺丝一起，保持装置水平、平稳。

13：可升降垫块。使中旋转基板14按要求旋转一定的高度。

14：中旋转基板。能绕铰链20自由旋转，对上旋转导轨16的旋转起到一个定位的作用。

15：直角可移动尖劈。能移动，并将上旋转导轨16很方便垫起一定的高度，并能通过斜边上面的刻度读出倾斜高度h。h的含义见附图图3所示。

16：上旋转导轨。能绕活动卡口19自由旋转，通过中旋转基板14的定位，借助直角可移动尖劈15斜边上面的刻度，测量出上旋转导轨16相对于中旋转基板14转过的倾斜高度h。(h如图3所示)

17：可导向滑块或小车。能沿上旋转导轨16平稳滑下。

18：缓冲挡板。对可导向滑块或小车17起到缓冲作用。

19：活动卡口。保证上旋转导轨16能自由旋转。

20：铰链。保证中旋转基板14能自由旋转。

具体实施方式

本发明依据的实验原理：如附图图2所示：6.斜面7.滑块8.垫块.

研究滑块7，当滑块7在斜面6上下滑时，滑块7受到的合力为：

F_合力＝Mgsinθ-μMgcosθ    (1)

其中θ为斜面6相对水平面的夹角.

假设，斜面6相对水平面的夹角θ＝β时，物体恰沿斜面匀速下滑，则有

Mgsinβ-μMgcosβ＝0

由上面的等式得到μ＝tanβ，将μ＝tanβ代入(1)有：

F_合力＝Mgsinθ-tanβMgcosθ＝Mgsinθ-Mgcosθ×sinβ/cosβ

＝Mg(sinθ×cosβ-cosθ×sinβ)/cosβ

F_合力＝Mgsin(θ-β)/cosβ    (2)

其中.(θ-β)就是小车刚匀速下滑时斜面的位置与现在斜面所在位置的夹角，见附图图3所示.

F_合力＝Mgsinθ-μMgcosθ＝Mgsin(θ-β)/cosβ＝Mgh/(L×cosβ)    (3)

h、L的含义见附图图3所示。

由于g/(L×cosβ)同一实验中是固定不变的，合力的数值就可以用Mh等效表示。

(1)探索物体质量不变时，物体的加速度与受到的合外力的关系

要研究F_合与加速度a的关系，只要研究h与加速a的关系。只要旋转斜面，得到多组h(如图3)，利用数字毫秒计(或打点计时器)测量出相应的加速度a，画出h-a图线，探索出h-a的关系，也就得到了F_合与加速度a的关系。

(2)探索物体所受到的拉力不变时，物体的加速度与其质量的关系

当改变物体的质量时，怎样才能做到保持合力不变化？这其实很简单，只要每次改变小车的质量，同时旋转斜面(如图3)，保证F_合力＝Mgh/(L×cosβ)不变化，也就是Mh的乘积不发生变化，就可以了。利用数字毫秒计(或打点计时器)，测量出相应的加速度a，就得到了物体的合外力不变时，物体的加速度与其质量的关系。

实施例：验证牛顿第二定律。

需要的其他仪器：50克的砝码几个，数字毫秒计(或打点计时器)

实验操作过程(用数字毫秒计进行测量)

(1)：首先确定可导向滑块沿上旋转导轨匀速下滑时，图4的中旋转基板转过的高度H。(H含义见图3，为可升降垫块13的高度)。

①.利用图5，测量上旋转16导轨与可导向滑块17之间的动摩擦系数：μ＝f/mg

②.调整图4的9、10、11水平调整螺丝，使水平底板12水平

③.在距离铰链20左端1米处(见图4)，放置垫块13，则可升降垫块13的高度H为：

H＝1×tanβ＝μ＝f/mg

(2)：探索物体质量不变时，物体的加速度与受到的合外力的关系

①.将上旋转导轨16相对中旋转基板转过(θ-β)角度，通过直角可移动尖劈15，测量出上旋转导轨16相对于中旋转基板14转过的倾斜高度h(h如图3所示)。

②.可导向滑块沿上旋转导轨平稳滑下，利用数字毫秒计，测量出相应的加速度a

③.改变h，实现多次测量。画出a-h(F)图象。

测量表格1：M＝______克

实验次数	h(F合力＝Mgh/(L×cosβ))	a
			1
2
			3
4
			5

(3)：探索物体所受到的拉力不变时，物体的加速度与其质量的关系：

①.将上旋转导轨16相对中旋转基板转过(θ-β)角度，通过直角可移动尖劈15，测量出上旋转导轨16相对于中旋转基板14转过的倾斜高度h(h如图3所示)。

②.可导向滑块沿上旋转导轨平稳滑下，利用数字毫秒计，测量出相应的加速度a

③.改变物块质量M，同时改变h，保证Mh的乘积不发生变化，实现多次测量。画出a-1/M图象。

测量表格2：F_合力＝Mgh/(L×cosβ)不变化

实验次数	h	M	M×h	a
					1
2
					3
4
					5

Claims (2)

1：一种验证牛顿第二定律的验证仪器，由下向上分别由水平调整螺丝、水平底板、可升降垫块、铰链、中旋转基板、直角可移动尖劈、上旋转导轨、活动卡口、可导向滑块或小车、缓冲挡板组成，其特征是：中旋转基板一端通过铰链与水平底板铰接，另一端被可升降垫块支撑；直角可移动尖劈放置在中旋转基板的活动端；上旋转导轨一端通过活动卡口相对中旋转基板旋转，另一端被直角可移动尖劈的斜边支撑。

2：根据权利要求1所述的的验证仪器，其特征是：所述的直角可移动尖劈上刻有刻度。

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