CN204143707U - 验证牛顿第二定律和动能定理的装置 - Google Patents
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Abstract
一种验证牛顿第二定律和动能定理的装置，它的面板是斜面板，用水平支架和竖直支架支撑，斜面板短边有一系列平行的轨道挡板卡槽，长边上附有斜面标尺，另一条长边上设有轨道挡板，小车置于斜面板的表面上，且小车内部放置有带电小球，整个斜面装置与垂直斜面的平行板电容器相连，平行板电容器与稳压电源连接。斜面板的表面上间隔设置与电脑通用计数器连接的两道光电门，调节角度指示仪置于斜面板与水平支架的夹角之间。用斜面角度指示仪来调节斜面的倾角；用标尺读数测量重物沿斜面下滑的距离；用两个光电门及电脑通用计数器记录重物经过两光电门时的瞬时速度；轨道保证下滑的重物做直线运动。实验过程和计算过程简单，便于学生理解掌握。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种教学工具，特别是涉及一种物理教学中使用的验证牛顿第二定律和动能定理的装置。
背景技术
通常，物理教学中验证牛顿第二定律时，重物要在平面上或气垫导轨上运动，通过改变重物质量或滑块质量，可以定量研究重物加速度与其质量和所受合外力的关系，但重物重力和滑轮转动惯量引起的系统误差很难消除。验证牛顿第二定律的实验过程打点计时器会打出十多条纸带，其中有的纸带打的不清晰，对纸带的筛选耗时，还要利用纸带进行二十多次计算，计算程序复杂，直接影响教学的进程和效果。
验证动能定理通常是利用重物的自由落体，演示重物自由落体的整个过程，来说明动能定理，实验操作难于控制、直观性较差，且数据繁琐，不便于学生理解、掌握。
发明内容
为了解决现有技术中存在的诸多缺陷，本实用新型提供一种测量数据精确的验证牛顿第二定律和动能定理的装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种验证牛顿第二定律和动能定理的装置，包括电脑通用计数器、调节角度指示仪、标尺、面板、砝码、弹簧、小车、支撑架、平行板电容器，所述的面板为斜面板，支撑架由水平支架和竖直支架组成，斜面板用水平支架和竖直支架支撑，斜面板的一条长边上附有斜面标尺，斜面板的另一条长边上设有轨道挡板，装有带电小球的小车置于斜面板的表面上，斜面板的表面上间隔设置有两道光电门，两道光电门通过连接线与电脑通用计数器连接，调节角度指示仪置于写面板与水平支架的夹角之间；整个斜面装置放置于平行板电容器中，平行板电容器与稳压电源连接。
作为优选方案，所述的竖直支架是伸缩支架。
作为优选方案，所述的两道光电门的长度与斜面板的宽度可调。
作为优选方案，所述的轨道前端和末端分别设置有多个用于固定轨道挡板的卡槽，卡槽相互平行。
作为优选方案，斜面装置放置于与其垂直的平行板电容器中。
采用上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型用斜面装置验证牛顿第二定律，调节斜面合适的倾斜角度使重物静止于斜面，利用斜面角度指示仪，精准的调节斜面的倾角；用可伸缩支架支撑斜面，斜面上附有标尺，通过标尺读数可以精确测量重物沿斜面下滑的距离；通过斜面上的两个光电门及电脑通用计数器相连，可记录重物经过两光电门时的瞬时速度；斜面上宽度可调的轨道可以保证下滑的重物做直线运动。本装置以电场力代替配重小桶通过定滑轮给重物施加拉力，从而消除了重物重力和滑轮转动惯量引起的系统误差，实验简单、明了，便于学生理解掌握。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是斜面板倾角为零时的结构示意图。
图中，平行板电容器1，稳压电源2，带电小球3，第二道光电门4，电脑通用计数器5，第一道光电门6，轨道挡板7，小车8，弹簧9，竖直支架10，斜面标尺11，水平支架12，调节角度指示仪13，斜面板14。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的描述。
本实用新型公开了一种验证牛顿第二定律和动能定理的装置，这种装置由面板、调节角度指示仪13、小车8、电脑通用计数器5、支撑架、电容器等组成。具体结构见附图1。
本实施例的面板倾斜30度放置构成斜面板14，支撑架由水平支架12和竖直支架10组成，竖直支架10是可伸缩的支架。水平支架12一端与斜面板14的30度角处固定连接，另一端与竖直支架10固定，竖直支架10与水平支架12相垂直，竖直支架10 的另一端与斜面板14的60度角处固定，水平支架12和竖直支架10呈直角三角形结构支撑斜面板14，这种设置增强了斜面板的稳固性能。与斜面板14垂直的方向，且整个斜面装置置于平行板电容器1中，电容器1与稳压电源2相连，这样电容器两极板间电压可调，在斜面板14的一条长边上附有斜面标尺11，斜面板14的另一条长边上设有轨道，轨道上安装轨道挡板7，轨道的前端和末端安装固定轨道挡板7的一系列相互平行的卡槽，轨道挡板7卡在卡槽内，可根据重物的体积大小来调节轨道挡板7的位置，从而调节轨道的宽度，以保证下滑重物做直线运动。
小车8置于斜面板的表面上，小车8上装有配重砝码，小车8中放置有带电小球8，带电小球8是带电量的小球，带电小球8放电即电量的改变通过与之接触的不带电小球实现。小车8的外力是电场力，斜面板14的表面上间隔设置第一、第二道光电门6、4，第一、第二两道光电门6、4的长度与斜面板14的宽度相等，第一、第二两道光电门6、4分别通过连接线与电脑通用计数器5连接，调节角度指示仪8置于斜面板14与水平支架12的夹角（30度角）之间。
为了使小车8得到初速度，在与小车8同轴线的斜面板14的另一短边的表面安装压缩弹簧9。
本实用新型的电脑通用计数器5、调节角度指示仪13、光电门均为市售产品。
本实用新型的演示过程：
调节斜面板14的倾角，通过电脑通用计数器5显示重物在斜面做匀速运动，使质量为M带电为q的小车8平衡于斜面上。此时小车8重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡，小车8静止于斜面之上，小车8和砝码的质量M不变，给平行板电容器1施加电压，电压的大小通过稳压电源来调节，小车8受到沿斜面向下的电场力后在第一光电门6之前加速运动，经过第一、第二光电门4、6的速度为v1、v2，第一、第二两光电门之间的距离为s，根据运动学公式求加速度a，在小车8和车中砝码质量和带电量不变的情况下，改变平行板电容器1间的电压，因为带电小球3的带电量q和电容器极板间距离d为常数，电场力即小车的合外力与电压成正比将测出一系列加速度，描绘加速度与电压的关系曲线，验证小车8质量一定的情况下，其加速度与合外力呈正比，实验中电场力的改变也可通过改变带电小球3的电量来实现。同样的实验方法，测量相同的物理量，保证电容器间电压不变即小车8和砝码所受的拉力不变，改变小车8和砝码的质量，将测出不同小车8质量下的加速度，描绘加速度和小车砝码质量的关系曲线，验证加速度与小车砝码质量成反比。
由验证牛顿第二定律的实验数据验证动能定理。
具体验证方法实施例：
调节斜面角度指示仪13，使斜面倾角θ=0，如图2所示，调节第一、第二光电门4、6的位置，使两道光电门间的距离为s，s的数值由斜面标尺11读出。质量为M的小车8和砝码静止于第一道光电门6之前，压缩弹簧9顶接小车8使小车8获得初速度，小车8在摩擦力的作用下减速经过两道光电门6和4，电脑通用计数器5记录小车8经过第一、第二道光电门6、4的速度分为为v1、v2，则小车8的加速度为：
由于小车8做匀加速运动，在牛顿第二定律成立的前提下，可以利用牛顿第二定律和以上公式计算与小车8接触面的滑动摩擦因数，由此本斜面装置也可用于测量与重物不同接触面的滑动摩擦因数。
由小车8的受力分析得小车8平衡于斜面的条件为μMgcosθ=Mgsinθ，在验证牛顿第二定律时，不能根据牛二定律求μ从而确定重物平衡时斜面的倾角，此时可调节斜面倾角，通过电脑通用计数器5显示重物在斜面做匀速运动，此时使质量为M的小车8平衡于斜面上，且位于第一光电门6之前。给平行板电容器1施加电压U，电压的大小通过稳压电源2来调节，小车8受到沿斜面向下的电场力后在第一光电门6之前加速运动，验证牛顿第二定律，在小车8质量M和带电量q不变的情况下，小车8所受的合外力为极板间距离为d平板电容1施加的电场力，在此外力的作用下小车8加速通过第一、第二光电门6、4的速度分别为v1、v2，位移为s，根据运动学公式求出不同合外力的作用下的加速度a，画出a-U曲线，可以验证加速度a与合外力成正比。
保持平行板电容器1极板间电压U和小车8的带电量不变，改变小车8中砝码的质量，同样让小车8在第一光电门6之前由静止开始加速运动，同样测出物理量v1、v2、s，根据一系列实验数据画出a-1/M的曲线，M为小车8加砝码的质量，验证加速度与质量M成反比。
证动能定理，给静止于斜面的小车8施加拉力，使小车8在第一光电门6之前开始加速运动，小车8加速通过第一、第二光电门6、4的速度分别为v1、v2，位移为s，电容器极板间电压为U，验证完牛顿第二定律小车8带电量q为已知，则系统的动能变化量E、合外力做功的公式分别为W：
重力和电场力都做正功，且二者做功均与路径无关，小车8和砝码在斜面的摩擦力做负功，摩擦力做功与小车8的路径有关。
Claims (5)
1.一种验证牛顿第二定律和动能定理的装置，包括电脑通用计数器、调节角度指示仪、标尺、面板、砝码、弹簧、小车、支撑架、平行板电容器，其特征在于，所述的面板为斜面板，支撑架由水平支架和竖直支架组成，斜面板用水平支架和竖直支架支撑，斜面板的一条长边上附有斜面标尺，斜面板的另一条长边上设有轨道挡板，装有带电小球的小车置于斜面板的表面上，斜面板的表面上间隔设置有两道光电门，两道光电门通过连接线与电脑通用计数器连接，调节角度指示仪置于写面板与水平支架的夹角之间；整个斜面装置放置于平行板电容器中，平行板电容器与稳压电源连接。
2.根据权利要求1所述的验证牛顿第二定律和动能定理的装置，其特征在于，所述的竖直支架是伸缩支架。
3.根据权利要求1所述的验证牛顿第二定律和动能定理的装置，其特征在于，所述的两道光电门的长度与斜面板的宽度可调。
4. 根据权利要求1所述的验证牛顿第二定律和动能定理的装置，其特征在于，所述的轨道前端和末端分别设置有多个用于固定轨道挡板的卡槽，卡槽相互平行。
5.根据权利要求1所述的验证牛顿第二定律和动能定理的装置，其特征在于，斜面装置放置于与其垂直的平行板电容器中。
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