[发明专利]一种验证牛顿第二定律的方法和验证仪器

说明书

技术领域

本发明专利提出了一种验证牛顿第二定律的测量方法和验证仪器(验证a-F、a-1/M关系)，用于高中或大学的物理实验教学中，没有传统实验中的实验原理不完善的系统误差。可以把该方法和验证仪器用于探索牛顿第二定律、探索动量定理、探索动能定理的实验中。

背景技术

目前，常用的牛顿第二定律的验证方法如附图图1所示，有：1.重物2.绳子3.定滑轮4.小车5.滑板，认为重物1的重力等于绳子2对小车4的拉力，实际上只有重物1的质量远小于斜面上小车4的质量时，两者才近似相等.这就是传统实验中实验原理不完善的系统误差。为了减少系统误差，左边悬挂的重物1的质量的可调整范围很小，测量的数据只能集中在一个很小的区域。由于数据很集中，很难看出趋势，总结规律很勉强。老师们的实际实验结果常常是：实验的a-F、a-1/M图线既不是直线，也不经过坐标原点。

发明内容

为了克服传统实验中实验原理不完善的的系统误差，本发明专利提出了一种验证牛顿第二定律的实验模型和测量方法、验证仪器，利用该实验方法没有传统实验中实验原理不完善的系统误差，只要实验者操作规范，实验的a-F、a-1/M为直线，且经过坐标的原点。

本发明专利所采用技术方案如附图图2所示：6.斜面7.滑块8.垫块.

研究滑块7，当滑块7在斜面6上下滑时，滑块7受到的合力为：

F_合力＝Mgsinθ-μMgcosθ              (1)

其中θ为斜面6相对水平面的夹角.

假设，斜面6相对水平面的夹角θ＝β时，物体恰沿斜面匀速下滑，则有

Mgsinβ-μMgcosβ＝0            μ＝tan β   (2)

在β角度满足μ＝tanβ处，滑块匀速下滑。

当斜面倾角为任意角度θ时，如果能方便的解决(sinθ-μcosθ)的定量准确的测量问题，就能通过改变斜面的倾角θ，达到改变合外力的目的。

如附图3，斜面长度为AB＝1米，倾角为θ，则有：

AC＝sinθ           BC＝cosθ

令：CD＝μcosθ，则：

AD＝(sinθ-μcosθ)

BD与水平面BC的夹角β满足：

tanβ＝CD/BC＝μcosθ/cosθ＝μ         (3)

由(2)(3)式可知，BD边所在位置就是滑块沿该处斜面匀速下滑的位置。

如附图4，在确定好BD的位置后，插入三角板EFG，将斜面垫起一定高度，将可移动米尺21移到AD边所在的位置，通过可移动米尺的刻度直接测量出(sinθ-μcosθ)的数值。

滑块7受到的合力＝Mg(sinθ-μcosθ)＝Mg×AD

＝Mg×K×AD(当AB不等于1米，K为常数)

可以通过Mg×AD实现对斜面上滑块或小车受力的定量控制。

(1)探索物体质量不变时，物体的加速度与受到的合外力的关系

如附图4，在确定好BD的位置后，旋转AB面，插入直角可移动尖劈EFG，将可移动米尺21移到AD边所在的位置，通过可移动米尺的刻度直接测量出(sinθ-μcosθ)的数值，计算出合力F_合力＝Mg(sinθ-μcosθ)，利用数字毫秒计(或打点计时器)测量出相应的加速度a，也就得到了F_合与加速度a的关系。

(2)探索物体所受到的拉力不变时，物体的加速度与其质量的关系

只要每次改变小车的质量，同时旋转AB面(如图4)，由于(sinθ-μcosθ)的整体数值形成一个均匀的刻度，所以很容易保证Mg(sinθ-μcosθ)整体不变，也就是物体的合外力不变，利用数字毫秒计(或打点计时器)，测量出相应的加速度a，就得到了物体的合外力不变时，物体的加速度与其质量的关系。

利用附图图5的实验装置，，就可以实现上述的实验方法.本发明专利的有益的效果是：验证牛顿第二定律的a-F、a-1/M关系，实验的数据区域大，画出的a-F、a-1/M图线为直线，只要实验者操作规范，实验图线基本经过坐标原点，而且没有传统实验中的实验原理不完善的系统误差.

附图说明：

下面结合附图和实施对本发明专利作进一步说明.

图1是现在课本中的实验模型.

图2是本发明专利的实验模型.

图3是本发明专利实验原理的直观说明.

图4是本发明专利实验原理的直观说明.

图5是本发明专利实验仪器的总装图.

图5中各部分部件的作用：