大一下物理实验实验报告 用气垫导轨研究物体的运动.docx
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大一下物理实验实验报告用气垫导轨研究物体的运动
东南大学
物理实验报告
姓名学号指导老师
日期座位号报告成绩
实验名称用气垫导轨研究物体的运动
预习报告……………………………………………2~5
实验目的……………………………………………………2
实验仪器……………………………………………………2
实验中的主要工作…………………………………………2
预习中遇到的问题及思考…………………………………3
实验原始数据记录…………………………………………4
实验报告…………………………………………6~12
实验原理………………………………………………………
实验步骤………………………………………………………
实验数据处理及分析…………………………………………
讨论……………………………………………………………
实验目的：
1、了解气垫导轨的工作原理
2、掌握利用气垫导轨测量运动物体的加速度和重力加速度
3、验证牛顿第二运动定律
实验仪器（包括仪器型号）：
仪器名称
型号规格
生产厂家
仪器编号
气垫导轨和附件
MUJ-6B电脑通用计数器
MUJ-6B
天平
试验中的主要工作：
实验一：
1、练习通用计数器的基本使用
2、调平气垫导轨：
①粗调:
在导轨中部相隔50cm放置两个光电门，接通气源确定导轨通气良好，然后调节导轨的调平螺钉，使滑块在导轨上保持不动或稍微左右摆动。
②细调:
设置计数器在S2功能，给滑块一个适当的初速度，观察滑块经过前后光电门的时间
t1，
t2，仔细调节调平螺钉，使
t1略小于
t2即可。
实验二：
1、打开MUJ-6B电脑通用计数器，选择加速度功能，设置挡光片宽度值
2、安置光电门A和B，取S=|XB-XA|=50.0cm，在滑块上安装挡光片和小钩套，打开气源，调整导轨水平
3、利用小滑块，配重块4块，砝码1只，砝码盘等附件验证a
1/M的关系
4、利用小滑块，配重块4块，砝码5只，砝码盘等附件验证F
a的关系
预习中遇到的问题及思考：
1、在实验中如何调节导轨水平？
答：
先进行粗调，在导轨中部相隔50cm放置两个光电门，接通气源确定导轨通气良好，然后调节导轨的调平螺钉，使滑块在导轨上保持不动或稍微左右摆动。
在进行细调，设置计数器在S2功能，给滑块一个适当的初速度，观察滑块经过前后光电门的时间
t1，
t2，仔细调节调平螺钉，使
t1略小于
t2即可。
2、在验证牛顿第二定律的实验中如何保持系统总质量M不变，而合外力F改变？
答：
可以在砝码盘中放入一些砝码，然后通过向滑块上转移砝码来改变合外力F，而此时系统总质量M不变。
实验原始数据记录：
实验二：
1、保持系统合外力F不变，改变系统总质量M，验证
即Ma=F
两光电门之间距离S=50cm挡光片宽度△l=1.00cm
m2：
砝码1只+砝码盘M1：
小滑块+砝码1只+砝码盘+挡光片+套钩+钩+固定螺钉3只
M2：
M1+配重块2个+固定螺母2只M3：
M2+配重块2个
m2=10.04gF=m2g=9.83*10-2N
系统质量/g
加速度a/（cms-2）
Fi与F比较（百分误差）
M1=181.67
1
52.28
=52.30
F1=M1
=9.50*10-2N
3.4%
2
52.24
3
52.37
M2=281.72
1
34.52
=34.71
F2=M2
=9.78*10-2N
0.51%
2
35.13
3
34.46
M3=381.42
1
24.27
=24.67
F3=M3
=9.41*10-2N
4.3%
2
24.89
3
24.66
2、保持系统总质量M不变，改变系统的合外力F的大小，验证F∝a
两光电门之间距离S=50cm挡光片宽度△l=1.00cm
组成系统总质量的附件清单：
滑块+砝码5只+砝码盘+挡光片+套钩+钩
系统总质量M=262.06g
m2/g
加速度a/（cms-2）
1
2
3
平均值
m21=砝码盘质量
4.99
17.86
17.83
17.88
17.86
m22=m21+1只砝码质量
9.89
35.81
35.87
35.77
35.82
m23=m21+2只砝码质量
14.81
53.52
53.47
53.42
53.47
m24=m21+3只砝码质量
19.70
71.40
71.34
71.18
71.31
m25=m21+4只砝码质量
24.62
89.41
89.18
89.32
89.30
m26=m21+5只砝码质量
29.529
107.00
107.08
107.12
107.07
实验一：
1、用通用计数器的S2功能，测定滑块上P点自轨道上O点处静止下滑到光电门A、B位置时的速度V1、V2
定高垫块厚度h=1.00cm气垫导轨脚距d=86.0cm
O点位置X0=110cm
光电门A的位置XA=90cm光电门B的位置XB=40cm
挡光片宽度
△l=1.00cm
△l=3.00cm
△l=5.00cm
△l=10.00cm
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
1
21.57
39.60
22.02
39.63
22.03
39.61
23.04
39.94
2
21.51
39.59
21.77
39.49
21.83
39.53
22.93
39.87
3
21.39
39.73
21.78
39.51
22.02
39.62
23.05
39.97
4
21.41
39.54
21.69
39.40
22.25
39.84
22.93
39.87
5
21.42
39.57
21.63
39.50
22.18
39.80
22.94
39.87
平均值
21.46
39.61
21.78
39.51
22.06
39.68
22.98
39.91
2、理论推算滑块上P点自轨道上O点静止下滑到光电门A、B位置的速度V1、V2
定高垫块厚度h=1.00cm气垫导轨脚距d=86.0cm
O点位置X0=110cm
光电门A的位置XA=90cm光电门B的位置XB=40cm
路程S1=|XA-XO|=20cmS2=|XB-XO|=70cm
推算
，同理V2=39.93cm/s
查本地区重力加速度g=9.795cm/s2，将V1、V2实测数据和推算数据对比、分析和讨论
3、测定滑块沿斜面下滑过程中的加速度
选择挡光片宽度△l=1.00cm
S=|XB-XA|
40.0cm
50.0cm
60.0cm
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
a/
（cms-2）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
a/
（cms-2）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
a/
（cms-2）
1
21.41
36.58
11.00
21.57
39.60
11.03
21.29
41.68
10.96
2
21.45
36.54
10.97
21.51
39.59
11.05
21.32
42.02
10.93
3
21.57
36.70
11.02
21.39
39.73
11.07
21.35
42.11
10.97
4
21.48
36.74
11.03
21.41
39.54
11.05
21.34
42.18
11.03
5
21.64
36.68
11.02
21.42
39.57
11.07
21.36
42.16
11.01
平均值
21.51
36.65
11.01
21.46
39.61
11.05
21.33
42.03
10.98
比较三种S值情况下的加速度值，判定滑块是否做匀加速运动
一、实验原理
1、直线运动中速度的测定
沿直线运动的物体，在△t时间内位移为△x，平均速度
，当Δt→0，平均速度趋近于一个极限，即物体运动的瞬时速度
……①
在实验中，直接用定义式①来测量物体上某点的瞬时速度是很困难的，一般在一定的误差范围内，用平均速度代替瞬时速度的测量。
2、匀变速直线运动中加速度的测定
在气垫导轨上作匀变速直线运动的物体，其加速度a的数值可以通过下式得到：
……②
式中v1和v2是滑块经过前后两个光电门位置（x1和x2）时的速度，△t是滑块通过这两个光电门之间的路程s=∣x1-x2∣的时间。
3、由于在气轨上运动的物体的摩擦力接近于零，这为验证牛顿第二定律创造了良好的实验条件，由牛顿第二定律得：
F=Ma……③式中M=m1+m2为系统总质量，F=m2g为系统受的合外力，a为系统运动的加速度。
实验中验证牛顿第二定律应从两方面考虑：
（1）保持系统合外力F不变，改变系统总质量M，测出各条件下系统的加速度a，则应满足
，即M1a1=M2a2=…=F
（2）保持系统总质量M不变，改变系统合外力F的大小，测出各外力条件下系统的加速度a，作图分析a与F的关系应满足F∝a，且比例系数为M。
二、实验步骤
1、练习通用计数器的基本使用
将光电门的信号线插入P1和P2端口，开启电源，显示屏示值为“0.00”，按功能键，选择S2功能，利用笔杆对每个光电门进行偶数次遮光操作，观察计数器计时是否正常。
2、调节气垫导轨
（1）粗调：
在导轨中部相隔50cm放置两个光电门，接通气源，确定导轨通气良好，检查气轨两端的缓冲装置，在滑块上安装△l=5.00cm的挡光片，调节导轨的调节螺钉，使滑块在导轨上保持不动或稍微左右摆动；
（2）细调：
设置通用计数器在S2功能，给滑块一个适当的初速度，观察滑块经过前后光电门的时间△t1，△t2，仔细调节导轨的调平螺钉，使得滑块在导轨上往返运动时，每经过前一个光电门的时间△t1总是略小于经过后一个光电门的时间△t2。
3、打开MUJ-6B电脑通用计数器，选择加速度功能，设置挡光片宽度值。
4、安置光电门A和B，取s=∣xB-xA∣=50.0cm，在滑块上安装挡光片和小钩套，打开气源，调整导轨水平。
5、利用小滑块，配重块4块，砝码1只，砝码盘等附件，验证a∝
的关系。
6、利用小滑块，配重块4块，砝码5只，砝码盘等附件，验证F∝a的关系。
三、实验数据处理及分析
实验一：
1、用通用计数器的S2功能，测定滑块上P点自轨道上O点处静止下滑到光电门A、B位置时的速度V1、V2
定高垫块厚度h=1.00cm气垫导轨脚距d=86.0cm
O点位置X0=110cm
光电门A的位置XA=90cm光电门B的位置XB=40cm
挡光片宽度
△l=1.00cm
△l=3.00cm
△l=5.00cm
△l=10.00cm
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
1
21.57
39.60
22.02
39.63
22.03
39.61
23.04
39.94
2
21.51
39.59
21.77
39.49
21.83
39.53
22.93
39.87
3
21.39
39.73
21.78
39.51
22.02
39.62
23.05
39.97
4
21.41
39.54
21.69
39.40
22.25
39.84
22.93
39.87
5
21.42
39.57
21.63
39.50
22.18
39.80
22.94
39.87
平均值
21.46
39.61
21.78
39.51
22.06
39.68
22.98
39.91
2、理论推算滑块上P点自轨道上O点静止下滑到光电门A、B位置的速度V1、V2
定高垫块厚度h=1.00cm气垫导轨脚距d=86.0cm
O点位置X0=110cm
光电门A的位置XA=90cm光电门B的位置XB=40cm
路程S1=|XA-XO|=20cmS2=|XB-XO|=70cm
推算
，同理V2=39.93cm/s
查本地区重力加速度g=9.795cm/s2
对比V1及V2的实测数据和理论数据知相差不大，因为实测的速度是平均速度，而且气垫导轨存在极小的摩擦，故近似可以代替
3、测定滑块沿斜面下滑过程中的加速度
选择挡光片宽度△l=1.00cm
S=|XB-XA|
40.0cm
50.0cm
60.0cm
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
a/
（cms-2）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
a/
（cms-2）
V1/
（cms-1）
V2/
（cms-1）
a/
（cms-2）
1
21.41
36.58
11.00
21.57
39.60
11.03
21.29
41.68
10.96
2
21.45
36.54
10.97
21.51
39.59
11.05
21.32
42.02
10.93
3
21.57
36.70
11.02
21.39
39.73
11.07
21.35
42.11
10.97
4
21.48
36.74
11.03
21.41
39.54
11.05
21.34
42.18
11.03
5
21.64
36.68
11.02
21.42
39.57
11.07
21.36
42.16
11.01
平均值
21.51
36.65
11.01
21.46
39.61
11.05
21.33
42.03
10.98
可知三种情况下加速度的平均值相差不大，故可以认为滑块做匀加速运动。
实验二选做：
1、保持系统合外力F不变，改变系统总质量M，验证
即Ma=F
两光电门之间距离S=50cm挡光片宽度△l=1.00cm
m2：
砝码1只+砝码盘M1：
小滑块+砝码1只+砝码盘+挡光片+套钩+钩+固定螺钉3只
M2：
M1+配重块2个+固定螺母2只M3：
M2+配重块2个
m2=10.04gF=m2g=9.83*10-2N
系统质量/g
加速度a/（cms-2）
Fi与F比较（百分误差）
M1=181.67
1
52.28
=52.30
F1=M1
=9.50*10-2N
3.4%
2
52.24
3
52.37
M2=281.72
1
34.52
=34.71
F2=M2
=9.78*10-2N
0.51%
2
35.13
3
34.46
M3=381.42
1
24.27
=24.67
F3=M3
=9.41*10-2N
4.3%
2
24.89
3
24.66
可知在允许的范围内，由于实际系统合外力的大小应略小于m2g，则可近似认为系统合外力F不变时，a∝
2、保持系统总质量M不变，改变系统的合外力F的大小，验证F∝a
两光电门之间距离S=50cm挡光片宽度△l=1.00cm
组成系统总质量的附件清单：
滑块+砝码5只+砝码盘+挡光片+套钩+钩
系统总质量M=262.06g
m2/g
加速度a/（cms-2）
1
2
3
平均值
m21=砝码盘质量
4.99
17.86
17.83
17.88
17.86
m22=m21+1只砝码质量
9.89
35.81
35.87
35.77
35.82
m23=m21+2只砝码质量
14.81
53.52
53.47
53.42
53.47
m24=m21+3只砝码质量
19.70
71.40
71.34
71.18
71.31
m25=m21+4只砝码质量
24.62
89.41
89.18
89.32
89.30
m26=m21+5只砝码质量
29.529
107.00
107.08
107.12
107.07
可知F1=m21g=48.8771*10-3Na1=17.86cm/s-2
F2=m22g=96.8726*10-3Na2=35.82cm/s-2
F3=m23g=145.0640*10-3Na3=53.47cm/s-2
F4=m24g=192.9615*10-3Na4=71.31cm/s-2
F5=m25g=241.1529*10-3Na5=89.30cm/s-2
F6=m26g=289.1484*10-3Na6=107.07cm/s-2
取点（17.86,48.8771）及点（107.07,289.1484）
则斜率
故误差
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