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用气垫导轨验证牛顿第一定律

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用气垫导轨验证牛顿第一定律

原理将长L的气垫导轨的一端垫高h(如图),如果不考虑阻力的作用,则滑块下滑的加速度a=g·h/L.逐步减小h,a也将逐步变小,作出a-h图,图中得到的是一条直线(因为a∝h).如果这条直线经过原点,即可推理得到结论:当h=0,即滑块所受的合外力为零时,滑块将保持匀速直线运动的状态.

器材气垫导轨,数字毫秒计.

操作

(1)分两步将气垫导轨调平[详见实验58方法二操作(1)、(2)].

(2)在单支脚下垫上高度为h(例如6.00cm)的垫块.让滑块从导轨的单脚端滑向双脚端,毫秒计记下滑块经过两个光电门时的挡光时间

t1和t2.如果挡光框两个前沿之间的距离是d,则可认为滑块经过两个光电门时的即时速度分别是v1=d/t1和v2=d/t2.从标尺上读出两个光电门之间的距离s,则滑块的加速度

(3)垫块的高度h不变,改变滑块滑行的初速度或初始位置,再重复测量两次加速度,将三次测量的平均值作为测量值α.

(4)将垫块的高度h减少0.50cm,重复以上操作(2)和(3),直至垫块的高度减到3.00cm为止.

(5)用线性回归法求出a-h直线的截距b和截距的误差Δb.如果a-h直线经过原点(即b<Δb),则可以认为当h=0时,滑块的加速度a=0,即滑块作匀速直线运动.

实例某次实验数据如下:挡光框宽度d=1.00cm,两个光电门之间的距离s=75.0cm.

用线性回归法拟合出a-h直线,截距b=-0.00071m/s2,Δb=0.0031m/s2,相关系数r=0.998.因为Δb>|b|,说明a-h直线过原点,因此可以认为当h=0时,滑块的加速度a=0,滑块作匀速直线运动.

注意

垫块的高度h不要减少到太小,因为当h很小时,空气对滑块的阻力和气垫导轨残存的摩擦力

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