验证牛顿第二定律—气垫导轨实验(一)

《大学物理(一)》2014秋实验报告验证牛顿第二定律――气垫导轨实验(一).doc实验名称：验证牛顿第二定律——气垫导轨实验(一)实验目的：验证牛顿第二定律，了解气垫导轨的使用和原理。

实验器材：气垫导轨、气垫平台、小车、光门、计时器、电子天平、直尺等。

实验原理：牛顿第二定律：物体所受合力等于其质量与加速度的乘积，即F=ma。

气垫导轨：利用气垫技术实现小车在导轨上的滑动。

由于气垫产生的气垫力，平衡了小车的重力，使其很容易平滑地在导轨上移动。

实验步骤：1. 在气垫平台上安装气垫导轨，将导轨调整至水平状态。

2. 将小车放置在导轨上，并使用金属卡夹将两个轮子夹紧。

3. 使用直尺测量小车的质量m，并将其记录在实验记录本上。

4. 首先测量小车在静止状态下的重力G，即将小车放在气垫导轨上，放置好后记录其重量。

5. 用气泵将气垫导轨下面的气注满气，使气垫导轨处于气垫状态。

6. 开始对小车进行加速度的测量。

首先将小车推到一个适合的初始位置，在小车经过光门之前将其停住，然后用电子天平测出在小车上加上一定的质量后总重力G1。

记录G1的值。

7. 在小车通过光门后立即按下计时器的启动键，记录下小车通过光门时刻t1。

8. 将小车加上一定的重物，再重复步骤6和步骤7。

9. 再将小车加上重物，重复步骤6和步骤7。

10. 根据公式a=(Gn-G)/m计算小车加速度，其中n代表每次增加质量之后的编号。

11. 记录实验数据并进行处理、分析。

实验数据记录：测量物品：小车小车质量m=0.150kg静止状态下小车重力G=1.47N实验数据处理：计算小车+重物的重力G1、G2、G3：G1=(m+0.1kg)g=1.57NG2=(m+0.2kg)g=1.67NG3=(m+0.3kg)g=1.77N计算小车+重物的加速度a1、a2、a3：a1=(G1-G)/m=0.14m/s^2a2=(G2-G)/m=0.16m/s^2a3=(G3-G)/m=0.18m/s^2实验结论：根据实验数据的处理结果可得出，加速度与施加的力成正比，与物体质量成反比，符合牛顿第二定律的表述F=ma。

实验2.4 牛顿第二定律的验证[实验目的]1、学习气垫导轨的调节与使用；2、熟悉光电门、数字计时器的使用；3、研究力、质量和加速度之间的关系，验证牛顿第二定律。

[实验仪器]气垫导轨，数字计时器或电脑通用计数器，托盘天平，微音洁净气泵等。

[实验原理]验证性实验都是在某一理论结果已知的条件下进行的,所谓验证是指实验的结果和理论结果完全一致，但这种一致实质上是在实验装置、方法存在误差范围内的一致，若实验结果与理论结果之差超出了实验误差的范围，则不能说验证了理论的正确性，此时或者否定验证方法的可靠性，或者怀疑理论本身的正确性，但无论怎样由一次实验或一种实验装置得出这种结论都是非常困难的，要做大量的对比实验才能得到科学正确的结论，切不可草率地下结论．即使实验结果与理论结果之差在实验的误差之内，也不能武断地认为一定验证了理论的正确性往往随着实验水平的提高而发现了理论上的不足之处，从而推动了理论工作的不断发展．因此验证性实验是属于难度很大的一类实验．验证性实验可分两大类：一是直接验证，一是间接验证．本实验属于直接验证，所谓直接验证是对理论所涉及的物理量都能在实验中直接测定，并能研究它们之间的定量关系．牛顿第二定律指出，对于一定质量m 的物体，其所受的合外力F 和物体所获得的加速度a 之间存在如下关系：ma F = （2-3-1）为了研究问题的方便，实验分两步进行：当保持物体的质量m 不变时，研究加速度a 与合外力F 之间关系；当保持物体所受的合外力F 不变时，研究加速度a 与物体质量m 之间关系。

图2-3-1取滑块质量为1m ，砝码和托盘的质量为2m ，细线（不可伸长）为一力学系统，如图2-3-1所示，T 为细线中的张力。

则有：221m g T m aT m a-=⎧⎨=⎩ （2-3-2）则系统受合外力为：212()F m g m m a ==+ （2-3-3）令21m m M +=，得F Ma = （2-3-4）气垫导轨是为消除摩擦而设计的一种力学仪器，它利用气源将压缩空气打入导轨腔中，导轨表面的气孔喷出的压缩气流，使导轨表面和滑块之间形成一层非常薄的“气垫”，将滑块托起，这样可以认为滑块在导轨表面上的运动看成近似无摩擦的直线运动。

验证牛顿第二定律—气垫导轨实验(一)牛顿第二定律是牛顿三大定律之一，也称为“力的基本定律”。

它描述了物体的加速度与作用在它上面的力的关系，即 $F=ma$ （力等于质量乘以加速度）。

为了验证牛顿第二定律，我们可以通过气垫导轨实验来进行。

气垫导轨实验是一种相对简单的实验方法，它可以通过减少摩擦力来减小外部干扰，使我们更加精确地测量物体的加速度和力的关系。

实验装置包括一个平面气垫导轨和一组滑块。

在实验中，我们可以改变滑块的质量和加速度，并测量力和加速度的关系。

具体来说，实验流程如下：1. 首先，我们需要确定气垫导轨的长度和坡度。

导轨越长，物体的速度越大，导轨的坡度越大，物体在同样的初始位置上会更快地加速。

2. 然后，我们确定实验用的滑块的质量。

我们可以通过在滑块上加上不同的质量来改变滑块的重量，并在测量过程中记录滑块的质量。

3. 接下来，我们将滑块放在导轨的一端，对其进行一个恒定的初速度。

我们可以通过给滑块一个初始推力来实现初速度。

4. 在滑块运动的过程中，我们测量它在导轨上的运动距离和运动时间。

从而得出滑块的速度和加速度。

同时，我们还需要在导轨上放置一组测力仪，来测量物体所受的力。

5. 测量完成后，我们将数据记录下来，并通过绘制图表来分析它们之间的关系。

通过气垫导轨实验，我们可以验证牛顿第二定律的正确性。

实验结果通常与理论结果非常接近，这表明牛顿第二定律是不可否认的。

在实际应用中，我们可以使用牛顿第二定律来计算一些物理量，如动量和能量等，从而更好地理解和解释自然现象。

总之，气垫导轨实验是一种简单有效的实验方法，可以帮助我们验证牛顿第二定律的正确性，同时也可以让我们更加深入地理解力学和物理学的基本原理。

中国石油大学（华东）现代远程教育实验报告课程名称：大学物理(一)实验名称：验证牛顿第二定律――气垫导轨实验（一）实验形式：在线模拟+现场实践提交形式：提交书面实验报告学生姓名：学号：年级专业层次：学习中心：提交时间：年月日一、实验目的1．了解气垫导轨的构造和性能，熟悉气垫导轨的调节和使用方法。

2．了解光电计时系统的基本工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。

3．掌握在气垫导轨上测定速度、加速度的原理和方法。

4．从实验上验证F=ma的关系式，加深对牛顿第二定律的理解。

5．掌握验证物理规律的基本实验方法。

二、实验原理1．速度的测量一个作直线运动的物体，如果在t~t+Δt时间内通过的位移为Δx（x~x+Δx），则该物体在Δt时间内的平均速度为，Δt越小，平均速度就越接近于t时刻的实际速度。

当Δt→0时，平均速度的极限值就是t时刻（或x位置）的瞬时速度（1）实际测量中，计时装置不可能记下Δt→0的时间来，因而直接用式（1）测量某点的速度就难以实现。

但在一定误差范围内，只要取很小的位移Δx，测量对应时间间隔Δt，就可以用平均速度近似代替t时刻到达x点的瞬时速度。

本实验中取Δx为定值（约10mm），用光电计时系统测出通过Δx所需的极短时间Δt，较好地解决了瞬时速度的测量问题。

2．加速度的测量在气垫导轨上相距一定距离S的两个位置处各放置一个光电门，分别测出滑块经过这两个位置时的速度v1和v2。

对于匀加速直线运动问题，通过加速度、速度、位移及运动时间之间的关系，就可以实现加速度a的测量。

（1）由测量加速度在气垫导轨上滑块运动经过相隔一定距离的两个光电门时的速度分别为v1和v2，经过两个光电门之间的时间为t21，则加速度a为（2）根据式（2）即可计算出滑块的加速度。

（2）由测量加速度设v1和v2为滑块经过两个光电门的速度，S是两个光电门之间距离，则加速度a为（3）根据式（3）也可以计算出作匀加速直线运动滑块的加速度。

竭诚为您提供优质文档/双击可除在气垫导轨上测加速度的实验报告篇一：大学物理实验气垫导轨实验报告气轨导轨上的实验——测量速度、加速度及验证牛顿第二运动定律一、实验目的1、学习气垫导轨和电脑计数器的使用方法。

2、在气垫导轨上测量物体的速度和加速度，并验证牛顿第二定律。

3、定性研究滑块在气轨上受到的粘滞阻力与滑块运动速度的关系。

二、实验仪器气垫导轨(Qg-5-1.5m)、气源（Dc-2b型）、滑块、垫片、电脑计数器(muJ-6b型)、电子天平（Yp1201型）三、实验原理1、采用气垫技术，使被测物体“漂浮”在气垫导轨上，没有接触摩擦，只用气垫的粘滞阻力，从而使阻力大大减小，实验测量值接近于理论值，可以验证力学定律。

2、电脑计数器（数字毫秒计）与气垫导轨配合使用，使时间的测量精度大3v??x?t?x?t4过s1、s离?sa?速度和加速度的计算程序已编入到电脑计数器中，实验时也可通过按相应的功能和转换按钮，从电脑计数器上直接读出速度和加速度的大小。

5、牛顿第二定律得研究若不计阻力，则滑块所受的合外力就是下滑分力，F?mgsin??mg定牛顿第二定律成立，有mgh。

假Lhh?ma理论，a理论?g，将实验测得的a和a理论进LL行比较，计算相对误差。

如果误差实在可允许的范围内（＜5％），即可认为（本地g取979.5cm/s2）a?a理论，则验证了牛顿第二定律。

6、定性研究滑块所受的粘滞阻力与滑块速度的关系实验时，滑块实际上要受到气垫和空气的粘滞阻力。

考虑阻力，滑块的动力hh学方程为mg?f?ma，f?mg?ma?m(a理论－a)，比较不同倾斜状态下的LL平均阻力f与滑块的平均速度，可以定性得出f与v 的关系。

四、实验内容与步骤1、将气垫导轨调成水平状态先“静态”调平（粗调），后“动态”调平（细调），“静态”调平应在工作区间范围内不同的位置上进行2~3次，“动态”调平时，当滑块被轻推以50cm/s左右的速度（挡光宽度1cm，挡光时间20ms左右）前进时，通过两光电门所用的时间之差只能为零点几毫秒，不能超过1毫秒，且左右来回的情况应基本相同。

牛顿第二定律的验证摘要：牛顿第二定律说明了物体的加速度与物体所受的合外力成正比，并且与物体的质量成反比，方向与合外力相同。

本次的牛顿第二定律的验证实验在气垫导轨上进行，利用气垫导轨提供的相对稳定的理想环境下验证F=Ma，实验利用光电计时系统测得相对准确的通过光电门1和光电门2的速度与时间，从而计算验证牛顿第二定律。

关键词：气垫导轨牛顿第二定律加速度系统总质量不变光电计时系统（一）实验目的：（1）熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。

（2）熟悉光电计时系统的工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间的方法。

（3）学会测量物体的速度和加速度。

（4）验证牛顿第二定律（二）实验仪器：气垫导轨、气源、通用电脑计数器、游标卡尺、托盘天平、砝码及托盘等（三）实验原理：牛顿第二定律的表达式F=Ma，F为系统所受的合外力，M为系统的总质量，a为系统的加速度。

系统总质量M等于所加砝码的质量m1,滑块的质量m2和滑块的折合质量I/r²的总和，根据牛顿第二定律有F=（m1+m2+I/r²）a，由于折合质量I/r²相对于（m1+m2）而言很小，故在实际实验时可以忽略，于是F=（m1+m2）a 实验装置如下图所示，在导轨上相距S的两处放置光电门1和光电门2，测出此系统在砝码重力作用下滑块通过两光电门的速度V1和V2，系统的加速度a=(V2-V1)/ △t，V1=d/t1，V2=d/t2（d为挡光片的宽度）（四）实验内容与步骤：实验之前，讲气垫导轨调成水平，并使数字毫秒计处于正常的工作状态1、验证M一定时，a与F成正比（1）打开数字毫秒计时器，选择“加速度”档，将细尼龙线的一端接在滑块上，另一端绕过滑轮后悬挂一砝码盘，先把所有砝码都放在滑块上，并将滑块置于第一个光电门的外侧，使挡光片距离第一个光电门约20cm处，松开滑块，测出并记录滑块通过两个光电门的时间t1和t2，以及滑块从第一个光电门到第二个光电门的时间△t ，然后按数字毫秒计时器上的转换键，分别记录v1、v2（v1=d/t1,v2=d/t2）和加速度a 。

⼤学物理实验教案5-⽜顿第⼆定律的验证⼤学物理实验教案实验名称：⽜顿第⼆定律的验证实验⽬的：1．熟悉⽓垫导轨的构造，掌握正确的使⽤⽅法。

2．熟悉光电计时系统的⼯作原理，学会⽤光电计时系统测量短暂时间的⽅法。

3．学会测量物体的速度和加速度。

4．学习在⽓垫导轨上验证⽜顿第⼆定律。

实验仪器：⽓垫导轨（L-QG-T-1500/5.8）滑块电脑通⽤计数器（MUJ-ⅡB ）电⼦天平游标卡尺⽓源砝码实验原理：⼒学实验最困难的问题就是摩擦⼒对测量的影响。

⽓垫导轨就是为消除摩擦⽽设计的⼒学实验的装置，它使物体在⽓垫上运动，避免物体与导轨表⾯的直接接触，从⽽消除运动物体与导轨表⾯的摩擦，让物体只受到⼏乎可以忽略的摩擦阻⼒。

利⽤⽓垫导轨可以进⾏许多⼒学实验，如测定速度、加速度、验证⽜顿第⼆定律、动量守恒定律、研究简谐振动等。

根据⽜顿第⼆定律，对于⼀定质量m 的物体，其所受的合外⼒F 和物体所获得的加速度a 之间存在如下关系：ma F = （1）此实验就是测量在不同的F 作⽤下，运动系统的加速度a ，检验⼆者之间是否符合上述关系。

在调平导轨的基础上，测出阻尼系数b 后，如下图所⽰，将细线的⼀端结在滑块上，另⼀端绕过滑轮挂上砝码0m 。

此时运动系统（将滑块、滑轮和砝码作为运动系统）所受到的合外⼒为：c a g m v b g m F )(00-?--= （2）式中平均速度v （单位⽤s m /）与粘性阻尼常量b 之积为滑块与导轨间的粘性阻⼒，c a g m )(0-为滑轮的摩擦阻⼒，暂时不考虑这项。

在此⽅法中运动系统的质量m ，应是滑块质量1m ，全部砝码质量（包括砝码托）∑m 以及滑轮转动惯量的换算质量2r I（I 为滑轮转动惯量，r 为轮的半径）之和，即： 21rIm m m ++=∑ （3）其中2rI由实验室提供。

另外在实验中应将未挂在线上的砝码放在滑块上，保持运动系统质量⼀定。

3．⽤测量的F 与a 验证式（1）时，应检验：（1） F 与a 之间是否存在线性关系？当a 、F 的测量组数5>n ，关联系数88.0),(>F a r 时，就可认为a 、F 间存在线性关系。

中国石油大学（华东）现代远程教育实验报告学习中心：提交时间：2014 年 6 月 2 日汽垫上静止释放，调节导轨调平螺钉，使滑块保持不动或稍微左右摆动，而无定向运动，即可认为导轨已调平。

2.练习测量速度。

计时测速仪功能设在“计时2”，让滑块在汽垫上以一定的速度通过两个光电门，练习测量速度。

3.练习测量加速度计时测速仪功能设在“加速度”，在砝码盘上依次加砝码，拖动滑块在汽垫上作匀加速运动，练习测量加速度。

4.验证牛顿第二定律（1）验证质量不变时，加速度与合外力成正比。

用电子天平称出滑块质量滑块m ，测速仪功能选“加速度”， 按上图所示放置滑块，并在滑块上加4个砝码(每个砝码及砝码盘质量均为5g)，将滑块移至远离滑轮一端，使其从静止开始作匀加速运动，记录通过两个光电门之间的加速度。

再将滑块上的4个砝码分四次从滑块上移至砝码盘上，重复上述步骤。

（2）验证合外力不变时，加速度与质量成反比。

计时计数测速仪功能设定在“加速度”档。

在砝码盘上放一个砝码（即g m 102=），测量滑块由静止作匀加速运动时的加速度。

再将四个配重块(每个配重块的质量均为m ′=50g)逐次加在滑块上，分别测量出对应的加速度。

【数据处理】1、由数据记录表3，可得到a 与F 的关系如下：由上图可以看出，a 与F 成线性关系，且直线近似过原点。

上图中直线斜率的倒数表示质量，M=1/0.0058=172克，与实际值M=165克的相对误差：%2.4165165172=- 可以认为，质量不变时，在误差范围内加速度与合外力成正比。

2、由数据记录表4，可得a 与M 的关系如下：由上图可以看出，a 与1/M 成线性关系，且直线近似过原点。

直线的斜率表示合外力，由上图可得：F=9342gcm/s 2,实际合外力F=10克力=10g*980cm/s 2=9800gcm/s 2，相对误差：%7.4980093429800=-可以认为，合外力不变时，在误差范围内加速度与质量成反比。

牛顿第二定律的验证【实验目的】1. 熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的调整方法。

2. 熟悉用光电测量系统测量短时间的方法。

3. 验证牛顿第二定律。

【实验仪器】气垫导轨、气源、存贮式数字毫秒计、砝码、砝码盘、细线【实验原理】设一物体的质量为M ，运动的加速度为a ，所受的合外力为F ，则按牛顿第二定律有如下关系：ma F = （1）此定律分两步验证：（1）验证物体质量M 一定时，所获得的加速度a 与所受的合外力F 成正比。

（2）验证物体所受合外力F 一定时，物体运动的质量M 与加速度a 成反比。

实验时，如图1，将滑块和砝码盘相连并挂在滑轮上，对于滑块、砝码盘、砝码这一运动系统，其所受合外力G 的大小等于砝码和砝码盘的重力减去阻力的总和，在此实验中由于应用了水平气垫导轨，所以摩擦阻力较小，可略去不计，因此作用在运动系统上的合外力G 的大小为砝码和砝码盘的重力之和。

图1 验证牛顿第二定律系统因此按牛顿第二定律：a m n n m m Ma g m n m G ])([)(22110220+++==+= （2）其中砝码盘的质量为m 0，加在砝码盘中砝码的质量为n 2m 2（每个砝码的质量为m 2，共加了n 2个），滑块的质量为m 1，加在滑块上砝码的质量为n 1m 2（共加了n 1个）。

则运动系统的总质量M 为上述各部分质量之和。

从(2)式看，由于各部分质量均可精确测量，因此只需精确测量出加速度a 即可验证牛顿第二定律。

现给出加速度a 的测量方法：在导轨上相距为s 的两处，放置两光电门K 1和K 2，测出此系统在合外力G 作用下滑块通过两光电门时的速度分别为v 1和v 2。

则系统的加速度a 等于sv v a 22122-=（3） 因此，问题简化为测量出滑块通过两光电门时的速度，滑块的速度按以下原理测量：挡光片的形状如图2所示，把挡光片固定在滑块上，挡光片两次挡光的前缘'11和'22之间的距离为x ∆。