力学轨道小车使用研究

实验报告

四、力学轨道小车使用研究

班级：学号：姓名：

同组人: 时间：

实验目的：1、熟悉力学轨道小车的工作原理、使用和操作；

2、利用力学轨道小车探究小车速度随时间的变化，获得实验体会；

3、利用力学轨道小车探究加速度与力、质量的关系，验证牛顿第

二定律；

4、明确打点计时器的工作原理，掌握打点计时器的操作要领；

5、探讨运动学的教学方法，规律验证的演示技巧，提高教学技能。实验器材：

力学轨道小车、沙袋、电子天平、纸带、弹簧秤、电火花打点计时器、低压交流电源、刻度尺、钩码。

电子天平电火花打点计时器弹簧测力计

轨道小车

实验原理与方法：

1、电火花打点计时器

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。

2、用倾斜法平衡小车运动及打点纸带的摩擦阻力

把纸带挂在小车后部的纸带板上，并使纸带通过打点计时器，把小车放在轨道的尾端，逐渐抬高尾端直到小车能在其上做匀速运动为止，这是，运动的摩擦阻力恰好与小车倾斜面下滑的分力平衡，调好后固定支架。

3、使用轨道小车在运动中测力

（一）用静游标版标记小车在运动中动游标的位置

把小车卡在卡板上，挂上重物G，调整静游标版的位置使其内孔与动游标板黑色部分重合。

释放小车后，因为车与重物皆作加速运动，重物失重，所以运动中小车受的拉力将小于重物重力，即F

（二）用替代法测出小车在运动中所受到的拉力

把小车卡在卡板上，垫起测力计，使测力计拉杆与连测力弹簧的钢丝等高，手拉测力计并调整其位置，使动游标的黑色部分恰好进入静游标板的方孔中心为止，如上图所示，这时测力计读数便是小车运动中所受到的拉力。

4、牛顿第二定律的验证

（一）验证加速度与力的关系

保持车质量不变，改变车所受合外力大小（改变砂的质量或增减勾码）。用打点计时器打出纸带，求出加速度，用图象法验证物体运动的加速度是否正比于物体所受到的合外力。

（二）验证加速度与质量的关系

保持砂子质量不变,改变研究对象质量。利用打点计时器打出的纸带，求出运动物体加速度，用图象法验证物体的加速度是否反比于物体的质量。

实验步骤：

（1）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。

（2）平衡摩擦力，调节轨道高度，使得给小车一个初速度时，它能匀速运动（即打出的纸带上的点之间都是等距的）。

（3）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。

（4）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。

（5）改变沙袋重量或增加勾码，重复（4），打出三个质量的纸带。

（6）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。实验数据及数据分析：

在纸带上开始选择比较清楚的点开始计算，依次将纸带上的点定位1,2,3,4......将相邻两点间的距离定义为s1、s2、s3.......为了减少实验误差，用每五段距离当做一段距离，取其时间间隔为1s。

（一）小车质量一定，改变拉力：

M=230g

（二）拉力一定，改变小车质量：

F=0.49N；

m1=230.00g; m2=230.00+54.50=284.50; m3=230.00+54.50+54.07=338.57

数据处理：t=0.1s

（三）邻差法：

（1）改变拉力：

F=0.25N时:

X2－X1=1.1cm; X4－X3=1.0cm; X6－X5=1.2cm;

a=[(X2－X1）+（X4－X3）+(X6－X5)]∕(3t2)

=1.10m/s2

F=0.49N时：

X2－X1=1.9cm; X4－X3=2.2cm; X6－X5=2.2cm;

a=[(X2－X1）+（X4－X3）+(X6－X5)]∕(3t2)

=2.10 m/s2

F=0.98N时：

X2－X1=4.2cm; X4－X3=4.4cm; X6－X5=4.1cm;

a=[(X2－X1）+（X4－X3）+（X6－X5）]∕(3t2)

=4.23 m/s2

分析：从上面的数据可以看出：F1/a1=0.229; F2/a2=0.233; F3/a3=0.232。故F和a成正比关系。

（2）改变质量：

M=230.00g时：

a=[(X2－X1）+（X4－X3）+（X6－X5）]∕(3t2)

=2.10 m/s2

M=284.50g时：

X2－X1=1.8cm; X4－X3=1.9cm; X6－X5=1.7cm;

a=[(X2－X1）+（X4－X3）+（X6－X5）]∕(3t2)

=1.8 m/s2

M=338.57时：

X2－X1=1.5cm; X4－X3=1.7cm; X6－X5=1.6cm;

a=[(X2－X1）+（X4－X3）+（X6－X5）]∕（3t2)

=1.6 m/s2

分析：从上面的数据可以看出：m1×a1=0.483; m2×a2=0.5121; m3×a3=0.5417。故m和a成反比关系。

2、图像法：

（1）改变拉力：

分析：由图像可得：V-T图直线斜率即加速度a，所以a1=1.10m/s; a2=2.10m/s; a3=4.23m/s。

故：拉力与加速度成正比关系。

（2）改变小车质量：

分析：由图像可得：V-T图直线斜率即加速度a，所以a1=2.10m/s; a2=1.8m/s; a3=1.6m/s.

故小车质量与加速度成反比关系。

实验讨论：

该实验中，1、要平衡摩擦力，摩擦力要是没平衡好，后面整个实验的误差都会比较大。

2、用到了一个替代的方法之间测出拉力，比直接用重力要准确。这个方法与我们高中有一定的差别，但是也是一种改进。

3、该实验中数据分析是最重要的。按高中的方法是逐差法，但是这样就只用到了收尾两个值，准确性低。改进之后我们可以用邻差法、扩大法等，但是都有缺点，还是画V-T图最好。

力学轨道小车用于测定匀变速直线运动中的加速度、验证牛顿第二定律等运动学和动力学的原理与规律，是学生在高中学习阶段常用的仪器。在实验教学中，实验方法致关重要，在中学物理实验中，控制变量法、放大法和观察法是最常用的三种实验方法，此外还有替代法、平衡法、比较法、模拟法、转换法、累积法、理想化法、外推法、留迹法等实验方法，在教学的过程中，需要向学生说明实验使用的方法，并引导学生自主对实验方法进行判断。