大学物理实验指导书

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1、目 录实验一 牛顿第二定律的验证2实验二弦线振动的研究4实验三碰撞打靶实验6实验四 利用直流电桥测量电阻9实验一 牛顿第二定律的验证实验目的1熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。2学会用光电计时系统测量物体的速度和加速度。3验证牛顿第二定律。实验仪器气垫导轨，气源，通用电脑计数器，游标卡尺，物理天平等。实验原理牛顿第二定律的表达式为Fma .验证此定律可分两步（1）验证m一定时，a与F成正比。（2）验证F一定时，a与m成反比。把滑块放在水平导轨上。滑块和砝码相连挂在滑轮上，由砝码盘、滑块、砝码和滑轮组成的这一系统，其系统所受到的合外力大小等于砝码（包括砝码盘）的重力W减去阻力，在本实验中阻

2、力可忽略，因此砝码的重力W就等于作用在系统上合外力的大小。系统的质量m就等于砝码的质量、滑块的质量和滑轮的折合质量的总和.在导轨上相距S的两处放置两光电门k1和k2，测出此系统在砝码重力作用下滑块通过两光电门和速度v1和v2，则系统的加速度a等于 在滑块上放置双挡光片，同时利用计时器测出经两光电门的时间间隔，则系统的加速度为 d图1其中为遮光片两个挡光沿的宽度如图1所示。在此测量中实际上测定的是滑块上遮光片（宽）经过某一段时间的平均速度，但由于较窄，所以在范围内，滑块的速度变化比较小，故可把平均速度看成是滑块上遮光片经过两光电门的瞬时速度。同样，如果越小（相应的遮光片宽度也越窄），则平均速度越

3、能准确地反映滑块在该时刻运动的瞬时速度。实验内容1观察匀速直线运动（1）首先检查计时装置是否正常。将计时装置与光电门连接好，要注意套管插头和插孔要正确插入。将两光电门按在导轨上，双挡光片第一次挡光开始计时，第二次挡光停止计时就说明光电计时装置能正常工作；（2）给导轨通气，并检查气流是否均匀；（3）选择合适的挡光片放在滑块上，再把滑块置于导轨上；（4）调节导轨底座调平螺丝，使其水平。只要导轨水平，滑块在导轨上的运动就是匀速运动，只要是匀速运动，对于同一个挡光片而言，滑块经过两光电门的时间就相等，即。2验证牛顿第二定律（1）保证系统的总质量不变时，验证加速度与外力的关系。1）调整气垫导轨，让质量为

4、m2滑块能在气垫导轨上作匀速运动。将两个光电门置于相距L的位置上；2）把系有砝码盘的轻质细线通过滑轮和滑块相连，在滑块上放入质量为m1的砝码，用天平测得系统的总质量m，测量滑块经过两光电门的加速度a1 ；3）从滑块上取下质量为的砝码加至砝码盘中，测出加速度a2 ；4）从滑块上依次取下质量为砝码，放入砝码盘中，求出a3，a4 。5）用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的线性关系。（2）保持外力不变（即砝码盘与砝码的总质量不变），改变滑块质量，研究系统质量与加速度的关系。1）调节两光电门之间的距离合适；2）令砝码的质量m1不变，改变滑块的质量m2 ，在滑块上每次增加砝码，测出a 。3）多次改变滑

5、块的质量，分别测量对应a ，用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系数据处理1保持系统总质量M不变的条件下，测出加速度a与外力F之间的相关数据。并用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的线性关系。F(N)=mg5g10g15g20g25gaM= g作图F-a2外力F不变的条件下，测出系统质量M与加速度a的相关数据。并用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系。F= NM1/Ma作图F-1/M实验二 弦线振动的研究实验目的1观察横波在弦线上所形成的驻波波形。2验证弦线上的横波波长与弦线张力、密度的关系。实验仪器电动音叉，滑轮，弦线，砝码，钢卷尺，天平。实验原理由波动理论可以证明，横

6、波沿着一条拉紧的弦线传播时，波速v与弦线的张力T、线密度(单位长度的质量)间的关系为 （21）设f为弦线的波动频率；为弦线上传播的横波波长，则根据v f和（21）式得 （22）对上式两边取对数，则有 （23）可见，在、T一定时，lglgf图为一直线，其斜率为，截矩；在f、T一定时， lglg图也为一直线，其斜率为，截矩；在f、一定时，lg与lgT成正比，即lglgT图也为一直线，其斜率为，截矩。为验证与频率f的关系，本实验采取在弦线中形成驻波的方法。图2B实验装置如图2所示，将弦线的一端固定在电动音叉的一个叉子的顶端，另一端绕过滑轮系在载有砝码的砝码盘上。闭合电源开关后，调节音叉振动频率和相位

7、，使音叉维持稳定的振动，并将其振动沿弦线向滑轮一端传播，形成横波。当横波到达支撑点B后产生反射，由于前进波与反射波能够满足相干条件，在弦线上形成驻波，而任意两个相邻的波节（或波腹）间的距离都为波长的一半。若调节弦线的长度或张力T，使驻波振幅最大且稳定，理论可以证明式中，式中n为半波长的波段数（简称半波数），由此可得波长为 （24）实验中测出不同张力T时的l和n，用公式（24）求出对应波长，通过作lglgf图，验证与f的关系；改用不同的弦线，测出T、l、n、f（为音叉固有频率），代入公式（24）和公式（22）又可验证与的关系。实验内容1验证与f的关系（1）用分析天平称出弦线的质量m，用米尺量出弦

8、线的长度L，由m/l计算出弦线线密度。用天平称量砝码和砝码盘的总质量m，弦线对应的张力T等于砝码和砝码盘的总重量mg。（2）保持拉力T，不断改变音叉频率f，测出驻波振幅最大且稳定时，所对应的驻波波长； f(Hz)(m)lglgfT= N（3）作出lglgf图象。2验证与T的关系（1）保持音叉频率f不变，不断改变砝码质量（T等于砝码和砝码盘的总重量），测出对应的驻波波长, 作出lglgf图象.T(N)(m)lglgT f= Hz实验三 碰撞打靶实验实验仪器碰撞打靶实验仪如图1所示，它由导轨、单摆、升降架（上有小电磁铁，可控断通）、被撞小球及载球支柱，靶盒等组成。载球立柱上端为锥形平头状，减小钢球

9、与支柱接触面积，在小钢球受击运动时，减少摩擦力做功。支柱具有弱磁性，以保证小钢球质心沿着支柱中心位置。图1 碰撞打靶实验仪1.调节螺钉 2.导轨3.滑块 4.立柱5.刻线板 6.摆球 7.电磁铁 8.衔铁螺钉9.摆线 10.锁紧螺钉11.调节旋钮12.立柱 13.被撞球14.载球支柱 15.滑块16.靶盒小球质量可用电子天平称衡。实验原理1. 碰撞：指两运动物体相互接触时，运动状态发生迅速变化的现象。正碰是指两碰撞物体的速度都沿着它们质心连线方向的碰撞；其他碰撞则为斜碰。2. 碰撞时的动量守恒：两物体碰撞前后的总动量不变。3. 平抛运动：将物体用一定的初速度v0沿水平方向抛出，在不计空气阻力的

10、情况下，物体所作的运动称平抛运动，运动学方程为，（式t中是从抛出开始计算的时间，x是物体在时间t内水平方向的移动距离，y是物体在该时间内竖直下落的距离，是重力加速度）4. 在重力场中，质量为的物体在被提高距离后，其势能增加了5. 质量为m的物体以速度v运动时，其动能为6. 机械能的转化和守恒定律：任何物体系统在势能和动能相互转化过程中，若合外力对该物体系统所做的功为零，内力都是保守力（无耗散力），则物体系统的总机械能（即势能和动能的总和）保持恒定不变。7. 弹性碰撞：在碰撞过程中没有机械能损失的碰撞。8. 非弹性碰撞：碰撞过程中的机械能不守恒，其中一部分转化为非机械能（如热能）。公式推导： 1

11、撞击球下摆至最低点过程，机械能守恒： （1） 2撞击球与被撞球发生完全弹性碰撞（正碰），动量守恒： , （2） 3被撞球以初始速率做平抛运动： , (3)（1）、（2）、（3）式得： （4） 式中，x为靶心位置，y为被撞球的高度，h0为撞击球与被撞球高度差的理论值。 当被撞球的高度为y，撞击球与被撞球高度差的理论值为h0时，被撞球实际击中靶纸的位置为x1x，由此得碰撞系统在整个运动过程的能量损失应为 由此，若使被撞球击中靶心，撞击球的初始高度应调高至h，即: 实验内容观察电磁铁电源切断时，单摆小球只受重力及空气阻力时运动情况，观察二球碰撞前后的运动状态。测量二球碰撞的能量损失。1. 调整导轨水

12、平，如果不水平可调节导轨上的两只调节螺钉。2. 用电子天平测量被撞球（直径和材料均与撞击球相同）的质量，并以此也作为撞击球的质量。3. 根据靶心的位置，测出，估计被撞球的高度，并据此算出撞击球的高度0（预习时应自行推导出由和计算高度0的公式）4. 通过绳来调节撞击球的高低和左右，使之能在摆动的最低点和被撞球进行正碰。5. 把撞击球吸在磁铁下，调节升降架使它的高度为0，细绳拉直。6. 让撞击球撞击被撞球，记下被撞球击中靶纸的位置x1。（可撞击多次求平均），据此计算碰撞前后总的能量损失E为多少？应对撞击球的高度作怎样的调整，才可使击中靶心？（预习时应自行推导出由x1和y，及计算高度差h-h0=Dh

13、的公式）7. 对撞击球的高度作调整后，再重复若干次试验，以确定能击中靶心的 h 值；被撞球击中靶纸的位置后记下此 h 值。8. 观察二小球在碰撞前后的运动状态，分析碰撞前后各种能量损失的原因。数据处理1.数据测量： 表1 打靶前各参数测量值 球的质量m/g 球的直径d/cmy/cmx/cmh0计算值/cm2.打靶记录 表2 各次打靶测量数据 h0/cm 打靶次数 中靶环数 击中位置 x1/cm平均值 /cm修正值 h/cm123h1/cm打靶次数 中靶环数 击中位置 x1/cm 平均值 / 修正值 h/cm1233.结论：根据计算实验结果得到能击中十环靶心的h的最佳值为 cm。本地区重力加速度

14、为g9.80 m/s2，碰撞过程中的总能量损失为： E=mg(h1-h0)=_J实验四 利用直流电桥测量电阻实验目的1掌握惠斯通电桥的原理，并通过它初步了解一般桥式线路的特点。图1IR1R2RXRbIbIXI1I2IgEGABCD2学会使用惠斯通电桥测量电阻。实验仪器QJ23型电桥，电阻箱，检流计，滑线变阻器，直流稳压电源等。实验原理惠斯通电桥（也称单臂电桥）的电路如图1所示，四个电阻R1、R2、Rb、RX组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”，在一对对角AD之间接入电源，而在另一对角BC之间接入检流计，构成所谓“桥路”。所谓“桥”本身的意思就是指这条对角线BC而言。它的作用就是把“桥

15、”的两端点联系起来，从而将这两点的电位直接进行比较。B、C两点的电位相等时称作电桥平衡。反之，称作电桥不平衡。检流计是为了检查电桥是否平衡而设的，平衡时检流计无电流通过。当电桥平衡时，B和C两点的电位相等，故有 （1）由于平衡时，所以B、C间相当于断路，故有 （2）所以 可得 （3）或 （4）图2GEKbR2R1RXRbRhKg这个关系式是由“电桥平衡”推出的结论。反之，也可以由这个关系式推证出“电桥平衡”来。因此（3）式称为电桥平衡条件。如果在四个电阻中的三个电阻值是已知的，即可利用（3）式求出另一个电阻的阻值。这就是应用惠斯通电桥测量电阻的原理。实验内容1用自组电桥测量电阻用电阻箱连成桥路

16、如图2所示，接到桥臂的导线应该比较短，与图1不同之处在于增加了保护电阻Rh、开关Kg和Kb，开始操作时，电桥一般处在很不平衡的状态，为了防止过大的电流通过检流计，应将Rh拔至最大。随着电桥逐步接近平衡，Rh也逐渐减小直至零。为了保护检流计，开关的顺序应注意先合Kb、后合Kg，先断开Kg、后断开Kb，即电源Kb要先合后断。在电桥接近平衡时，为了更好地判断检流计电流是否为零，应反复开合开关Kg（跃接法）细心观察检流计指针是否有摆动。测量几十、几百、几千欧姆的电阻各一个，分别取R1/R2=500/500及50/500。每次更换RX前均要注意：（1）增大Rh；（2）切断Kg。2测量计算电桥的灵敏度。公

17、式RXR1RbR2是在电桥平衡的条件下推导出来的。而电桥是否平衡，实验上是看检流计有无偏转来判断的。当我们认为电桥已达到平衡时Ig0，而Ig不可能绝对等于零，而仅是Ig小到无法用检流计检测而已。例如，有一惠斯通电桥上的检流计偏转一格所对应的电流大约为106安培，当通过它的电流为107安培，指针偏转110格，我们是可以察觉出来的，当通过它的电流小于107安培时，指针的偏转小于110格，我们就很难察觉出来了。为了定量地表示检流计不够灵敏带来的误差，可引入电桥灵敏度Si的概念，它的定义是 （5）RX是当电桥平衡后把RX改变一点的数量，而n是因为RX改变了RX电桥略失平衡引起的检流计偏转格数。从误差来源看，只要仪器选择合适，用电桥测电阻可以达到很高的精度。在测灵敏度时，由于RX是不可变的，故可以用改变Rb的办法来代替。计算表明 可见，任意改变一臂测出的灵敏度，都是一样的。3 数据处理（参考）R1/R2= RbRxnRSR1/R2= 11