轨道小车的使用

点击次数:   更新时间:2020-07-15 20:01     作者:和记娱乐

  轨道小车的使用_物理_自然科学_专业资料。中 学 物 理 实 验 报 告 实验名称 轨道小车的使用 班级 物理092 姓名 学号 09180212 实验日期 2012/3/22 同组人 徐婷婷 张丰蕾 1、 实验目的 ①参与实验操作过程,熟

  中 学 物 理 实 验 报 告 实验名称 轨道小车的使用 班级 物理092 姓名 学号 09180212 实验日期 2012/3/22 同组人 徐婷婷 张丰蕾 1、 实验目的 ①参与实验操作过程,熟悉轨道小车实验仪器的使用,探究实验操作和 数据处理中的改进方法,对相关问题进行深入思考。 ②深入理解实验原理,与高中物理知识相联系,体会实验仪器的一器多 用,探讨结合实验的教学方法,提高师范技能。 ③在与他人的交流讨论中培养分析、解决问题的能力和交流、合作的能 力并提高教学技能。 2、 实验器材 电火花打点计时器、细绳、沙袋、小车、一端带有滑轮的长木板、天 平、纸带、弹簧秤、复写纸、低压交流电源、钩码 3、 实验原理 1、 牛顿第二定律 牛顿第二定律,即质量一定时,加速度与合外力成正比;合外力一 定时,加速度与质量成反比。验证牛顿第二定律实验的实验原理:利用 轨道小车通过细线让悬挂的沙袋牵引小车做加速运动的方法,采用控制 变量法研究上述两组关系。 实验的过程中,首先保持小车的质量不变,改变m的大小,测出相 应的a,验证a与F的关系;然后保持m不变,改变M的大小,测出小车运 动的加速度a,验证a与M的关系。 在实验的过程中需要注意: a) 平衡摩擦力 由于小车在轨道上运动时会受到摩擦力的作用,一方面是轨道给小 车的摩擦力,另一方面是小车拖着纸带运动时纸带与电火花打点计时器 之间产生的摩擦力。在实验过程中平衡摩擦力的方法是,在长木板的不 带滑轮的一端下面垫上一块薄木板,反复移动其位置,直至连接了纸带 的小车刚好在斜面上保持匀速运动为止,此时小车重力沿斜面向下的分 力约等于小车受到的摩擦力。 b) 小车所受的拉力T等于mg是近似处理 实验的过程中,小车在轨道上做匀加速运动,通过细绳与小车相连 的砂袋也已相同的加速度做匀加速运动。对此时的砂袋进行受力分析, (M表示小车的质量、m表示砂袋的质量、T表示绳子上的拉力)可以得 到: (1) (2) 对(2)式进行分析可以发现小车所受的拉力T等于mg是近似处理, 且只有当Mm时,可近似认为小车所受的拉力T等于mg。 针对这个实验设计过程中的系统误差,可以采用替代法进行改进。 用替代法在理论上可以准确地测出细绳上拉力的大小。当小车运动时记 录下小车上动游标板与静游标板的相对位移,随后当小车静止时,用弹 簧测力计拉小车上的动游标板,使其回到之前的相对位移,读出此时弹 簧测力计的读数就是小车在运动时受到的拉力的大小。尽管这种方法在 理论上可行,但是实际上的误差是很大的,首先通过人目测确定下来的 相对位移是有较大误差的,另外不同小车上的动静游标的灵敏度是不同 的。在我们组做实验的过程中,需要悬挂250g以上的砂袋才会使动静游 标发生明显的相对的位移,因此用替代法进行实验很难实现。 2、计算加速度的方法 匀变速直线运动的物体在运动的过程中,在任意两个相等的时间内 的位移之差是个定值。因此,可以采用下述的几种方法才计算加速度。 a)逐差法 根据, 从逐差法的计算公式可以发现,采用逐差法计算加速度并没有使测 量数据得到充分的利用。因此可以采用以下几种更接近于真实值的方 法。 b)选取9个数值得到8个时间段的位移值 逐差法的缺点在于没有使测量的数据得到充分的利用,因此在原来 的基础上对纸带多测量几个点,比如说测量9个点,得到8个时间段的位 移值,利用上述公式进行计算时可以更好地利用测量数据,但是也可以 发现有些数据点的测量是多余的。 c)零差法 用零差法进行数据计算时,可以在测量相同多个数据点的情况下, 实现数据的充分利用。 d)图像法 根据纸带利用匀加速运动中平均速度等于中间时刻速度的规律可以 求出各个计数点的速度,然后作出图像,根据图像求出斜率,得到的就 是加速度。 3、电火花打点计时器工作原理 电火花打点计时器是利用火花放电使墨粉在纸带上打出墨点而显出 点迹的一种计时仪器. 给电火花打点计时器接220V电源,按下脉冲输出 开关,计时器发出的脉冲电流,接正极的放电针和墨粉纸盘到接负极的 纸盘轴,产生火花放电,于是在纸带上打出一系列的点,而且在交流电 的每个周期放电一次,因此电火花打点计时器打出点间的时间间隔等于 交流电的周期,当电源频率为50赫兹时,它每隔0.02S打一次点。 4、 实验过程 一、测定匀变速直线)按要求装配好轨道小车,把打点计时器固定在轨道上没有滑轮的 一端,连接好电路,再把细绳拴在小车上,细绳跨过滑轮,下边挂上合 适重量的沙袋,把纸带穿过打点计时器,并把它的一端固定在小车的后 面。 (2)把小车停在靠近打点计时器处,接通电源后,放开小车,让小车 拖着纸带运动,打点计时器就在纸带上打下一系列的点,重复两次。 (3)从两条纸带中选择一条比较理想的纸带,舍掉开头比较密集的点 子,在后面便于测量的地方找一个开始点,并把每3个计时点为作为一 个计数点。在选好的开始点下面记为0,第1点作为记数点1,依此标出 计数点2、3、4、5、6、7、8、9,并用刻度尺一次性标出各个计数点的 位置并记录下来。计算出相邻两个计数点的间隔,此时相邻两个计数点 的时间间隔为0.06s。 (4)分别采用逐差法、零差法、9个数值法进行加速度的计算,得出结 果后与标准的加速度值进行比较,分别求出相对误差。 二、验证牛顿第二定律 (1)用天平测出车的质量M,沙袋的质量m。 (2)安装好实验装置。 (3)平衡车和纸带受的摩擦力。 (4)把细绳系在小车上,并绕过滑轮悬挂小桶。接通电源,放开小 车,打点计时器在纸带上打下一系列点。取下纸带,在纸带上标上纸带 号码。 (5)保持车的质量不变,通过改变沙袋的质量而改变车所受到的牵引 力,再做几次实验。在每条纸带上选取一段比较理想的部分,测量各计 数点间的距离,计算出各条纸带所对应的小车的加速度。 (6)根据实验结果画出车运动的图线,若图线是过原点的倾斜直线, 则证明物体运动的加速度a和合外力大小成正比。 (7)保持砂子和小桶的质量不变,在小车上加放砝码,重复上面的实 验。 (8)根据实验结果画出小车运动时的图线,如果图线是过原点的的倾 斜直线,则证明物体运动的加速度a和物体的质量大小成反比。 M/g 250 m/g 50.01 S1/cm S2/cm S3/cm S4/cm S5/cm S6/cm S7/cm S8/cm 2.44 2.95 2.20 2.80 3.30 3.06 3.15 2.90 3.60 3.45 3.40 4.05 3.69 3.70 3.31 4.56 4.16 3.96 4.70 4.30 4.10 3.79 5.47 6.00 4.55 5.5 4.99 4.70 4.22 6.32 7.49 5.14 6.35 5.56 5.10 4.68 7.20 8.40 5.76 7.80 6.23 5.65 5.20 8.02 9.55 6.39 7.80 6.77 6.07 5.50 10.98 10.88 6.95 8.60 7.35 6.53 250 100.02 250 150.02 250 71.00 300 100.02 400 100.02 500 100.02 5、 实验数据记录及分析 表1、纸带原始数据 M/g 250 250 250 250 300 400 500 m/g 50.01 100.02 150.02 71.00 100.02 100.02 标准值a 1.63 2.80 3.68 2.17 2.45 1.96 逐差法a 1.24 2.77 3.56 1.65 2.26 1.71 零差法a 1.18 3.75 3.70 1.65 2.64 1.78 9个数值法a 1.25 2.43 3.47 1.69 2.12 1.71 1.33 100.02 1.63 1.34 1.50 表2、三种方法求出的加速度的值 M/g 250 m/g 9个数值 逐差法相 零差法相 法相对误 对误差 对误差 差 -0.0118 0.339094 -0.13108 50.01 -0.23907 -0.27733 -0.23312 250 100.02 250 250 150.02 -0.03117 0.007097 -0.05526 71.00 -0.23671 -0.24071 -0.21893 300 100.02 -0.07894 0.076936 -0.13505 400 100.02 -0.12588 -0.08957 -0.12783 500 100.02 -0.18168 -0.08179 -0.18806 表3、三种方法相对误差比较 经过比较和综合考虑,可以得出结果逐差法的相对误差最小,其次 是9个数值法,再次是零差法。最终选定将由逐差法求出的加速度值作 为计算所得的加速度a的值进行下一步牛顿第二定律的验证。 从理论上分析,在进行加速度计算的过程中,用9个数值法和零差 法应该是优于逐差法的,但是实际的计算结果却与此相悖。分析其原因 可能有以下几条:1、由于没有平衡好摩擦力等原因小车在运动过程电 火花打点计时器打出的点是不准确的。2、由于在测量计数点位置时的 测量是不准确的。因此得到的数据点是不准确的,导致尽管9个数值法 和零差法比逐差法运用的数据点充分,却是利用了不准确的数据点,才 会导致误差反而增大。 (1)保持小车质量250g不变 砂袋质 量/g 50.01 100.02 F/N 加速度 a 0.49 1.24 0.98 2.77 150.02 1.47 3.56 71.00 0.7 1.65 将a-F的数据进行拟合,可以发现两者的线%,因 此加速度a与拉力F有较明显的线性相关性。因此牛顿第二定律中的,质 量一定时,加速度与合外力成正比成立。 (2)保持砂袋质量100.02g,即拉力为0.98N不变 1/(M+m) 2.86 2.50 2.00 1.67 M/g 加速度a 250 2.77 300 2.26 400 1.71 500 1.34 将a-1/(M+m)的数据进行拟合,可以发现两者的线%,因此加速度a与拉力1/(M+m)有较明显的线性相关性。因此牛顿 第二定律中的合外力一定时,加速度与质量成反比也成立。 6、 轨道小车实验仪器的拓展应用 (1) 研究匀加速直线运动的规律 将轨道倾斜角度加大, 使小车在本身重力沿轨道方向分力的作用下 作匀加速运动。同样地,在小车后连接纸带,将小车停靠在轨道左端并 用弹簧片止动。将纸带拉平, 放在计时器架后的平板上。打开电火花计 时器电源开关, 压下止动弹簧片释放小车, 小车即沿轨道作匀加速直线 运动。通过实验记录纸带可以研究物体做匀加速直线运动的运动规律。 (2)验证动量定理 按照动量定理, 运动物体在一段时期内动量的增量, 等于外力在这 段时期对物体所作的冲量。式中△t为外力作用的时间;V0 计数点O 点 时平均速度;Vn 计数点n 点时平均速度。同理,通过轨道小车可以进 行动能定律的验证。 (3)验证动能守恒定理 按照动能守恒定理, 运动物体在外力作用下的动能增量, 等于外力 给运动物体所做的功: 式中s为外力作用下物体的位移;V0 计数点O 点 时平均速度;Vn 计数点n 点时平均速度。同理,通过轨道小车可以进 行动能守恒定律的验证。 7、 实验体会 牛顿第二定律的验证是高中物理中的重要实验,教材中就是在实验 的基础上导出牛顿第二定律的。通过本次实验,我回顾了轨道小车实验 组仪器的相关使用方法,也在马老师的引导下对相关问题进行了进一步 的思考和探究。比如说,尽管我们知道用砂袋的重力来代替小车受到的 拉力是不准确的,那么应该如何来改进呢?由此引出了替代法这种测量 方法。又比如说,我们高中时对纸带求加速度时往往采用逐差法,但是 逐差法并不能实现所测数据的充分利用。由此引出其他的三种方法:零 差法、图像法和9个数值法。因此对于一个实验的方法和处理是丰富 的,在今后的教学过程中也应该潜移默化地让学生产生这种在实验过程 中勤思考、勤探索的意识。在实验的过程中,充分调动学生的思路,将 分散的知识点联系起来,引导学生深入思考,充分发挥学生实验在教学 中的作用。另外,同一套实验教学仪器可以进行多种实验探究,比如说 本次实验中的轨道小车实验可以进行匀变速直线运动规律的探究、牛顿 第二定律的验证、动量定律的验证、动能守恒定律的验证等等多个实 验。因此作为师范生的我们要在平时的教学过程中善于发现实验仪器的 一器多用,以及不同知识的融会贯通。

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