大學物理實驗指導書

1、目 錄實驗一 牛頓第二定律的驗證2實驗二弦線振動的研究4實驗三碰撞打靶實驗6實驗四 利用直流電橋測量電阻9實驗一 牛頓第二定律的驗證實驗目的1熟悉氣墊導軌的構(gòu)造，掌握正確的使用方法。2學會用光電計時系統(tǒng)測量物體的速度和加速度。3驗證牛頓第二定律。實驗儀器氣墊導軌，氣源，通用電腦計數(shù)器，游標卡尺，物理天平等。實驗原理牛頓第二定律的表達式為fma .驗證此定律可分兩步（1）驗證m一定時，a與f成正比。（2）驗證f一定時，a與m成反比。把滑塊放在水平導軌上?；瑝K和砝碼相連掛在滑輪上，由砝碼盤、滑塊、砝碼和滑輪組成的這一系統(tǒng)，其系統(tǒng)所受到的合外力大小等于砝碼（包括砝碼盤）的重力w減去阻力，在本實驗中阻

2、力可忽略，因此砝碼的重力w就等于作用在系統(tǒng)上合外力的大小。系統(tǒng)的質(zhì)量m就等于砝碼的質(zhì)量、滑塊的質(zhì)量和滑輪的折合質(zhì)量的總和.在導軌上相距s的兩處放置兩光電門k1和k2，測出此系統(tǒng)在砝碼重力作用下滑塊通過兩光電門和速度v1和v2，則系統(tǒng)的加速度a等于 在滑塊上放置雙擋光片，同時利用計時器測出經(jīng)兩光電門的時間間隔，則系統(tǒng)的加速度為 d圖1其中為遮光片兩個擋光沿的寬度如圖1所示。在此測量中實際上測定的是滑塊上遮光片（寬）經(jīng)過某一段時間的平均速度，但由于較窄，所以在范圍內(nèi)，滑塊的速度變化比較小，故可把平均速度看成是滑塊上遮光片經(jīng)過兩光電門的瞬時速度。同樣，如果越?。ㄏ鄳恼诠馄瑢挾纫苍秸瑒t平均速度越

3、能準確地反映滑塊在該時刻運動的瞬時速度。實驗內(nèi)容1觀察勻速直線運動（1）首先檢查計時裝置是否正常。將計時裝置與光電門連接好，要注意套管插頭和插孔要正確插入。將兩光電門按在導軌上，雙擋光片第一次擋光開始計時，第二次擋光停止計時就說明光電計時裝置能正常工作；（2）給導軌通氣，并檢查氣流是否均勻；（3）選擇合適的擋光片放在滑塊上，再把滑塊置于導軌上；（4）調(diào)節(jié)導軌底座調(diào)平螺絲，使其水平。只要導軌水平，滑塊在導軌上的運動就是勻速運動，只要是勻速運動，對于同一個擋光片而言，滑塊經(jīng)過兩光電門的時間就相等，即。2驗證牛頓第二定律（1）保證系統(tǒng)的總質(zhì)量不變時，驗證加速度與外力的關系。1）調(diào)整氣墊導軌，讓質(zhì)量為

4、m2滑塊能在氣墊導軌上作勻速運動。將兩個光電門置于相距l(xiāng)的位置上；2）把系有砝碼盤的輕質(zhì)細線通過滑輪和滑塊相連，在滑塊上放入質(zhì)量為m1的砝碼，用天平測得系統(tǒng)的總質(zhì)量m，測量滑塊經(jīng)過兩光電門的加速度a1 ；3）從滑塊上取下質(zhì)量為的砝碼加至砝碼盤中，測出加速度a2 ；4）從滑塊上依次取下質(zhì)量為砝碼，放入砝碼盤中，求出a3，a4 。5）用作圖法處理數(shù)據(jù)，驗證加速度與外力之間的線性關系。（2）保持外力不變（即砝碼盤與砝碼的總質(zhì)量不變），改變滑塊質(zhì)量，研究系統(tǒng)質(zhì)量與加速度的關系。1）調(diào)節(jié)兩光電門之間的距離合適；2）令砝碼的質(zhì)量m1不變，改變滑塊的質(zhì)量m2 ，在滑塊上每次增加砝碼，測出a 。3）多次改變滑

5、塊的質(zhì)量，分別測量對應a ，用作圖法處理數(shù)據(jù)，驗證加速度與質(zhì)量之間的反比關系數(shù)據(jù)處理1保持系統(tǒng)總質(zhì)量m不變的條件下，測出加速度a與外力f之間的相關數(shù)據(jù)。并用作圖法處理數(shù)據(jù)，驗證加速度與外力之間的線性關系。f(n)=mg5g10g15g20g25gam= g作圖f-a2外力f不變的條件下，測出系統(tǒng)質(zhì)量m與加速度a的相關數(shù)據(jù)。并用作圖法處理數(shù)據(jù)，驗證加速度與質(zhì)量之間的反比關系。f= nm1/ma作圖f-1/m實驗二 弦線振動的研究實驗目的1觀察橫波在弦線上所形成的駐波波形。2驗證弦線上的橫波波長與弦線張力、密度的關系。實驗儀器電動音叉，滑輪，弦線，砝碼，鋼卷尺，天平。實驗原理由波動理論可以證明，橫

6、波沿著一條拉緊的弦線傳播時，波速v與弦線的張力t、線密度(單位長度的質(zhì)量)間的關系為 （21）設f為弦線的波動頻率；為弦線上傳播的橫波波長，則根據(jù)v f和（21）式得 （22）對上式兩邊取對數(shù)，則有 （23）可見，在、t一定時，lglgf圖為一直線，其斜率為，截矩；在f、t一定時， lglg圖也為一直線，其斜率為，截矩；在f、一定時，lg與lgt成正比，即lglgt圖也為一直線，其斜率為，截矩。為驗證與頻率f的關系，本實驗采取在弦線中形成駐波的方法。圖2b實驗裝置如圖2所示，將弦線的一端固定在電動音叉的一個叉子的頂端，另一端繞過滑輪系在載有砝碼的砝碼盤上。閉合電源開關后，調(diào)節(jié)音叉振動頻率和相位

7、，使音叉維持穩(wěn)定的振動，并將其振動沿弦線向滑輪一端傳播，形成橫波。當橫波到達支撐點b后產(chǎn)生反射，由于前進波與反射波能夠滿足相干條件，在弦線上形成駐波，而任意兩個相鄰的波節(jié)（或波腹）間的距離都為波長的一半。若調(diào)節(jié)弦線的長度或張力t，使駐波振幅最大且穩(wěn)定，理論可以證明式中，式中n為半波長的波段數(shù)（簡稱半波數(shù)），由此可得波長為 （24）實驗中測出不同張力t時的l和n，用公式（24）求出對應波長，通過作lglgf圖，驗證與f的關系；改用不同的弦線，測出t、l、n、f（為音叉固有頻率），代入公式（24）和公式（22）又可驗證與的關系。實驗內(nèi)容1驗證與f的關系（1）用分析天平稱出弦線的質(zhì)量m，用米尺量出弦

8、線的長度l，由m/l計算出弦線線密度。用天平稱量砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量m，弦線對應的張力t等于砝碼和砝碼盤的總重量mg。（2）保持拉力t，不斷改變音叉頻率f，測出駐波振幅最大且穩(wěn)定時，所對應的駐波波長； f(hz)(m)lglgft= n（3）作出lglgf圖象。2驗證與t的關系（1）保持音叉頻率f不變，不斷改變砝碼質(zhì)量（t等于砝碼和砝碼盤的總重量），測出對應的駐波波長, 作出lglgf圖象.t(n)(m)lglgt f= hz實驗三 碰撞打靶實驗實驗儀器碰撞打靶實驗儀如圖1所示，它由導軌、單擺、升降架（上有小電磁鐵，可控斷通）、被撞小球及載球支柱，靶盒等組成。載球立柱上端為錐形平頭狀，減小鋼球

9、與支柱接觸面積，在小鋼球受擊運動時，減少摩擦力做功。支柱具有弱磁性，以保證小鋼球質(zhì)心沿著支柱中心位置。圖1 碰撞打靶實驗儀1.調(diào)節(jié)螺釘 2.導軌3.滑塊 4.立柱5.刻線板 6.擺球 7.電磁鐵 8.銜鐵螺釘9.擺線 10.鎖緊螺釘11.調(diào)節(jié)旋鈕12.立柱 13.被撞球14.載球支柱 15.滑塊16.靶盒小球質(zhì)量可用電子天平稱衡。實驗原理1. 碰撞：指兩運動物體相互接觸時，運動狀態(tài)發(fā)生迅速變化的現(xiàn)象。正碰是指兩碰撞物體的速度都沿著它們質(zhì)心連線方向的碰撞；其他碰撞則為斜碰。2. 碰撞時的動量守恒：兩物體碰撞前后的總動量不變。3. 平拋運動：將物體用一定的初速度v0沿水平方向拋出，在不計空氣阻力的

10、情況下，物體所作的運動稱平拋運動，運動學方程為，（式t中是從拋出開始計算的時間，x是物體在時間t內(nèi)水平方向的移動距離，y是物體在該時間內(nèi)豎直下落的距離，是重力加速度）4. 在重力場中，質(zhì)量為的物體在被提高距離后，其勢能增加了5. 質(zhì)量為m的物體以速度v運動時，其動能為6. 機械能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：任何物體系統(tǒng)在勢能和動能相互轉(zhuǎn)化過程中，若合外力對該物體系統(tǒng)所做的功為零，內(nèi)力都是保守力（無耗散力），則物體系統(tǒng)的總機械能（即勢能和動能的總和）保持恒定不變。7. 彈性碰撞：在碰撞過程中沒有機械能損失的碰撞。8. 非彈性碰撞：碰撞過程中的機械能不守恒，其中一部分轉(zhuǎn)化為非機械能（如熱能）。公式推導： 1

11、撞擊球下擺至最低點過程，機械能守恒： （1） 2撞擊球與被撞球發(fā)生完全彈性碰撞（正碰），動量守恒： , （2） 3被撞球以初始速率做平拋運動： , (3)（1）、（2）、（3）式得： （4） 式中，x為靶心位置，y為被撞球的高度，h0為撞擊球與被撞球高度差的理論值。 當被撞球的高度為y，撞擊球與被撞球高度差的理論值為h0時，被撞球?qū)嶋H擊中靶紙的位置為x1x，由此得碰撞系統(tǒng)在整個運動過程的能量損失應為 由此，若使被撞球擊中靶心，撞擊球的初始高度應調(diào)高至h，即: 實驗內(nèi)容觀察電磁鐵電源切斷時，單擺小球只受重力及空氣阻力時運動情況，觀察二球碰撞前后的運動狀態(tài)。測量二球碰撞的能量損失。1. 調(diào)整導軌水

12、平，如果不水平可調(diào)節(jié)導軌上的兩只調(diào)節(jié)螺釘。2. 用電子天平測量被撞球（直徑和材料均與撞擊球相同）的質(zhì)量，并以此也作為撞擊球的質(zhì)量。3. 根據(jù)靶心的位置，測出，估計被撞球的高度，并據(jù)此算出撞擊球的高度0（預習時應自行推導出由和計算高度0的公式）4. 通過繩來調(diào)節(jié)撞擊球的高低和左右，使之能在擺動的最低點和被撞球進行正碰。5. 把撞擊球吸在磁鐵下，調(diào)節(jié)升降架使它的高度為0，細繩拉直。6. 讓撞擊球撞擊被撞球，記下被撞球擊中靶紙的位置x1。（可撞擊多次求平均），據(jù)此計算碰撞前后總的能量損失e為多少？應對撞擊球的高度作怎樣的調(diào)整，才可使擊中靶心？（預習時應自行推導出由x1和y，及計算高度差h-h0=dh

13、的公式）7. 對撞擊球的高度作調(diào)整后，再重復若干次試驗，以確定能擊中靶心的 h 值；被撞球擊中靶紙的位置后記下此 h 值。8. 觀察二小球在碰撞前后的運動狀態(tài)，分析碰撞前后各種能量損失的原因。數(shù)據(jù)處理1.數(shù)據(jù)測量： 表1 打靶前各參數(shù)測量值 球的質(zhì)量m/g 球的直徑d/cmy/cmx/cmh0計算值/cm2.打靶記錄 表2 各次打靶測量數(shù)據(jù) h0/cm 打靶次數(shù) 中靶環(huán)數(shù) 擊中位置 x1/cm平均值 /cm修正值 h/cm123h1/cm打靶次數(shù) 中靶環(huán)數(shù) 擊中位置 x1/cm 平均值 / 修正值 h/cm1233.結(jié)論：根據(jù)計算實驗結(jié)果得到能擊中十環(huán)靶心的h的最佳值為 cm。本地區(qū)重力加速度

14、為g9.80 m/s2，碰撞過程中的總能量損失為： e=mg(h1-h0)=_j實驗四 利用直流電橋測量電阻實驗目的1掌握惠斯通電橋的原理，并通過它初步了解一般橋式線路的特點。圖1ir1r2rxrbibixi1i2igegabcd2學會使用惠斯通電橋測量電阻。實驗儀器qj23型電橋，電阻箱，檢流計，滑線變阻器，直流穩(wěn)壓電源等。實驗原理惠斯通電橋（也稱單臂電橋）的電路如圖1所示，四個電阻r1、r2、rb、rx組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”，在一對對角ad之間接入電源，而在另一對角bc之間接入檢流計，構(gòu)成所謂“橋路”。所謂“橋”本身的意思就是指這條對角線bc而言。它的作用就是把“橋

15、”的兩端點聯(lián)系起來，從而將這兩點的電位直接進行比較。b、c兩點的電位相等時稱作電橋平衡。反之，稱作電橋不平衡。檢流計是為了檢查電橋是否平衡而設的，平衡時檢流計無電流通過。當電橋平衡時，b和c兩點的電位相等，故有 （1）由于平衡時，所以b、c間相當于斷路，故有 （2）所以 可得 （3）或 （4）圖2gekbr2r1rxrbrhkg這個關系式是由“電橋平衡”推出的結(jié)論。反之，也可以由這個關系式推證出“電橋平衡”來。因此（3）式稱為電橋平衡條件。如果在四個電阻中的三個電阻值是已知的，即可利用（3）式求出另一個電阻的阻值。這就是應用惠斯通電橋測量電阻的原理。實驗內(nèi)容1用自組電橋測量電阻用電阻箱連成橋路

16、如圖2所示，接到橋臂的導線應該比較短，與圖1不同之處在于增加了保護電阻rh、開關kg和kb，開始操作時，電橋一般處在很不平衡的狀態(tài)，為了防止過大的電流通過檢流計，應將rh拔至最大。隨著電橋逐步接近平衡，rh也逐漸減小直至零。為了保護檢流計，開關的順序應注意先合kb、后合kg，先斷開kg、后斷開kb，即電源kb要先合后斷。在電橋接近平衡時，為了更好地判斷檢流計電流是否為零，應反復開合開關kg（躍接法）細心觀察檢流計指針是否有擺動。測量幾十、幾百、幾千歐姆的電阻各一個，分別取r1/r2=500/500及50/500。每次更換rx前均要注意：（1）增大rh；（2）切斷kg。2測量計算電橋的靈敏度。公式rxr1rbr2是在電橋平衡的條件下推導出來的。而電橋是否平衡，實驗上是看檢流計有無偏轉(zhuǎn)來判斷的。當我們認為電橋已達到平衡時ig0，而ig不可能絕對等于零，而僅是ig小到無法用檢流計檢測而已。例如，有一惠斯通電橋上的檢流計偏轉(zhuǎn)一格所對應的電流大約為106安培，當通過它的電流為107安培，指針偏轉(zhuǎn)110格，我們是