專利名稱：：一種驗(yàn)證牛頓第二定律的方法和驗(yàn)證儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明專利提出了一種驗(yàn)證牛頓第二定律的測(cè)量方法和驗(yàn)證儀器(驗(yàn)證a-F、a-l/M關(guān)系)，用于高中或大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，沒有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)原理不完善的系統(tǒng)誤差。可以把該方法和驗(yàn)證儀器用于探索牛頓第二定律、探索動(dòng)量定理、探索動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)中。
背景技術(shù)：
：目前，常用的牛頓第二定律的驗(yàn)證方法如附1所示，有1.重物2.繩子3.定滑輪4.小車5.滑板，認(rèn)為重物1的重力等于繩子2對(duì)小車4的拉力，實(shí)際上只有重物1的質(zhì)量遠(yuǎn)小于斜面上小車4的質(zhì)量時(shí)，兩者才近似相等.這就是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)原理不完善的系統(tǒng)誤差。為了減少系統(tǒng)誤差，左邊懸掛的重物1的質(zhì)量的可調(diào)整范圍很小，測(cè)量的數(shù)據(jù)只能集中在一個(gè)很小的區(qū)域。由于數(shù)據(jù)很集中，很難看出趨勢(shì)，總結(jié)規(guī)律很勉強(qiáng)。老師們的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果常常是實(shí)驗(yàn)的a-F、a-l/M圖線既不是直線，也不經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容為了克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)原理不完善的的系統(tǒng)誤差，本發(fā)明專利提出了一種驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)量方法、驗(yàn)證儀器，利用該實(shí)驗(yàn)方法沒有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)原理不完善的系統(tǒng)誤差，只要實(shí)驗(yàn)者操作規(guī)范，實(shí)驗(yàn)的a-F、a-l/M為直線，且經(jīng)過坐標(biāo)的原點(diǎn)。本發(fā)明專利所采用技術(shù)方案如附2所示6.斜面7.滑塊S.墊塊.研究滑塊7，當(dāng)滑塊7在斜面6上下滑時(shí)，滑塊7受到的合力為F合力-Mgsin9一uMgcos6(1)其中e為斜面6相對(duì)水平面的夾角.假設(shè)，斜面6相對(duì)水平面的夾角e=P時(shí)，物體恰沿斜面勻速下滑,則有MgsinP—uMgcosP=0u=tanP(2)在e角度滿足u^tane處，滑塊勻速下滑。當(dāng)斜面傾角為任意角度e時(shí)，如果能方便的解決(sine—ucose)的定量準(zhǔn)確的測(cè)量問題，就能通過改變斜面的傾角9，達(dá)到改變合外力的目的。如附圖3，斜面長(zhǎng)度為AB-1米，傾角為e，則有AC=sin6BC=cos0令CD=ucos9，貝U:AD=(sin0—ucos0)bd與水平面bc的夾角e滿足tanP=cd/BC=ucos0/cose=u(3)由(2)(3)式可知，bd邊所在位置就是滑塊沿該處斜面勻速下滑的位置。如附圖4，在確定好bd的位置后，插入三角板EFG，將斜面墊起一定高度，將可移動(dòng)米尺21移到ad邊所在的位置，通過可移動(dòng)米尺的刻度直接測(cè)量出(sin0—ucos6)的數(shù)值?；瑝K7受到的合力=Mg(sine_ycos0)=MgXAD=MgXKXAD(當(dāng)AB不等于1米，K為常數(shù))可以通過MgXAD實(shí)現(xiàn)對(duì)斜面上滑塊或小車受力的定量控制。(1)探索物體質(zhì)量不變時(shí)，物體的加速度與受到的合外力的關(guān)系如附圖4，在確定好BD的位置后，旋轉(zhuǎn)AB面，插入直角可移動(dòng)尖劈EFG，將可移動(dòng)米尺21移到AD邊所在的位置，通過可移動(dòng)米尺的刻度直接測(cè)量出(sine—ycos9)的數(shù)值，計(jì)算出合力F合^Mg(sine—ycos9)，利用數(shù)字毫秒計(jì)(或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)測(cè)量出相應(yīng)的加速度a，也就得到了F^與加速度a的關(guān)系。(2)探索物體所受到的拉力不變時(shí)，物體的加速度與其質(zhì)量的關(guān)系只要每次改變小車的質(zhì)量，同時(shí)旋轉(zhuǎn)AB面(如圖4),由于(sin0—ucos9)的整體數(shù)值形成一個(gè)均勻的刻度，所以很容易保證Mg(sine—ucose)整體不變，也就是物體的合外力不變，利用數(shù)字毫秒計(jì)(或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)，測(cè)量出相應(yīng)的加速度a，就得到了物體的合外力不變時(shí)，物體的加速度與其質(zhì)量的關(guān)系。利用附5的實(shí)驗(yàn)裝置，，就可以實(shí)現(xiàn)上述的實(shí)驗(yàn)方法.本發(fā)明專利的有益的效果是驗(yàn)證牛頓第二定律的a-F、a-l/M關(guān)系，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)區(qū)域大，畫出的a-F、a-l/M圖線為直線，只要實(shí)驗(yàn)者操作規(guī)范，實(shí)驗(yàn)圖線基本經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)，而且沒有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)原理不完善的系統(tǒng)誤差.下面結(jié)合附圖和實(shí)施對(duì)本發(fā)明專利作進(jìn)一步說明.圖l是現(xiàn)在課本中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2是本發(fā)明專利的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖3是本發(fā)明專利實(shí)驗(yàn)原理的直觀說明.圖4是本發(fā)明專利實(shí)驗(yàn)原理的直觀說明.圖5是本發(fā)明專利實(shí)驗(yàn)儀器的總裝圖.圖5中各部分部件的作用9、10、11:水平調(diào)整螺絲。通過調(diào)整，保證水平底板12水平。12:水平底板。與水平調(diào)整螺絲一起，保持裝置水平、平穩(wěn)。13:可升降墊塊。使中旋轉(zhuǎn)基板14按要求旋轉(zhuǎn)一定的高度14:中旋轉(zhuǎn)基板。能繞鉸鏈20自由旋轉(zhuǎn)，中旋轉(zhuǎn)基板的位置就是附圖4中BD邊所在的位置。15:直角可移動(dòng)尖劈。能移動(dòng)，并將上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16很方便墊起一定的高度。16:上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌。能繞活動(dòng)卡口19自由旋轉(zhuǎn)。17:可導(dǎo)向滑塊或小車。能沿上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16平穩(wěn)滑下18:緩沖擋板。對(duì)可導(dǎo)向滑塊17起到緩沖作用。19:活動(dòng)卡口。保證上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16能自由旋轉(zhuǎn)20:鉸鏈。保證中旋轉(zhuǎn)基板14能自由旋轉(zhuǎn)21:可移動(dòng)米尺。可移動(dòng)米尺沿中旋轉(zhuǎn)基板移動(dòng)，從可移動(dòng)米尺上面的刻度可以直接讀出(sin6—Ucose)的整體數(shù)值。具體實(shí)施方式需要的其他儀器50克的砝碼幾個(gè)，數(shù)字毫秒計(jì)(或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)實(shí)驗(yàn)操作過程(用數(shù)字毫秒計(jì)進(jìn)行測(cè)量)(1):將中旋轉(zhuǎn)基板14旋轉(zhuǎn)到附圖4中BD邊所在的位置。該位置可以通過動(dòng)摩擦因素確定，或通過數(shù)字毫秒計(jì)監(jiān)控小車是否勻速下滑確定。(2):探索物體質(zhì)量不變時(shí)，物體的加速度與受到的合外力的關(guān)系①.直角可移動(dòng)尖劈15插入上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16，將上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16相對(duì)中旋轉(zhuǎn)基板14轉(zhuǎn)過一定的角度，移動(dòng)可移動(dòng)米尺21，通過可移動(dòng)米尺21的刻度，直接讀出(sin9—ncos9)的整體數(shù)值。②.可導(dǎo)向滑塊或小車17沿上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16平穩(wěn)滑下，利用數(shù)字毫秒計(jì)，測(cè)量出相應(yīng)的加速度a.③.改變(sine—ucos6)的整體數(shù)值，實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量。畫出a-F圖象。測(cè)量表格l:F合力二Mg(sin0—wcose)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(3)探索物體所受到的拉力不變時(shí)，物體的加速度與其質(zhì)量的關(guān)系①.直角可移動(dòng)尖劈15插入上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16，將上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16相對(duì)中旋轉(zhuǎn)基板14轉(zhuǎn)過一定角度，移動(dòng)可移動(dòng)米尺21，通過可移動(dòng)米尺21的刻度，直接讀出(sine—ycos0)的整體數(shù)值.②.可導(dǎo)向滑塊或小車17沿上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌16平穩(wěn)滑下，利用數(shù)字毫秒計(jì)，測(cè)量出相應(yīng)的加速度a.③.增加砝碼，改變小車的質(zhì)量M，同時(shí)改變(sinecos0)的整體數(shù)值，保證Mg(sine—ucos0)的乘積不發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)多次測(cè)量。畫出a-l/M圖象。測(cè)量表格2:F合力Mg(sine—ucos9)不變化<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1.一種嶄新的探索牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是如說明書附圖3，取斜面長(zhǎng)度AB＝1米，傾角為θ，AC＝sinθ，BC＝cosθ，令CD＝μcosθ，則AD＝(sinθ-μcosθ)，BD與水平面BC的夾角β滿足tanβ＝CD/BC＝μcosθ/cosθ＝μ，BD邊所在位置就是滑塊沿BD處斜面勻速下滑的位置，將中旋轉(zhuǎn)基板旋轉(zhuǎn)到BD邊所在位置，確定中旋轉(zhuǎn)基板與AC邊的交點(diǎn)D，就能夠通過AD的長(zhǎng)度直接測(cè)量出(sinθ-μcosθ)的數(shù)值。2.根據(jù)權(quán)利1所說的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是當(dāng)滑塊或小車從斜面上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其合力F^=Mg(sin0—ycos9)=MgXAD,F合力=MgXKXAD(斜面長(zhǎng)度AB不等于1米，K為常數(shù))，可以通過MgXAD實(shí)現(xiàn)對(duì)斜面上滑塊或小車受力的定量控制，(各字母含義見附圖3)，可以把該方法用于探索牛頓第二定律、探索動(dòng)量定理、探索動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)中。3.根據(jù)權(quán)利1所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證儀器，由下向上分別由水平調(diào)整螺絲，水平底板、可升降墊塊、中旋轉(zhuǎn)基板、鉸鏈、可移動(dòng)尖劈、上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌、活動(dòng)卡口、可導(dǎo)向滑塊或小車、緩沖擋板組成，其特征是中旋轉(zhuǎn)基板的邊緣裝有一個(gè)可移動(dòng)米尺，將中旋轉(zhuǎn)基板移動(dòng)到BD邊所在位置，上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌AB相對(duì)中旋轉(zhuǎn)基板旋轉(zhuǎn)，可移動(dòng)米尺沿著中旋轉(zhuǎn)基板移動(dòng)到AD位置，通過可移動(dòng)米尺上標(biāo)有的刻度，方便讀出(sine—ucos6)的整體數(shù)值。(字母含義見附圖3、附圖4。)n全文摘要一種探索牛頓第二定律的方法和驗(yàn)證儀器。通過數(shù)學(xué)及物理的方法，得到可移動(dòng)米尺的刻度AD＝(sinθ-μcosθ)，很容易定量確定(sinθ-μcosθ)的數(shù)值。斜面上滑塊或小車的受的合力為F_合力＝Mg(sinθ-μcosθ)＝Mg×AD，通過Mg×AD很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)斜面上滑塊或小車受力的定量控制。該方法可用于探索牛頓第二定律、探索動(dòng)量定理、探索動(dòng)能定理的實(shí)驗(yàn)中。該驗(yàn)證儀器，由下向上分別由水平調(diào)整螺絲，水平底板、可升降墊塊、中旋轉(zhuǎn)基板、可移動(dòng)米尺、鉸鏈、可移動(dòng)尖劈、上旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軌、活動(dòng)卡口、可導(dǎo)向滑塊或小車、緩沖擋板組成，通過可移動(dòng)米尺上標(biāo)有的刻度AD，方便讀出(sinθ-μcosθ)的整體數(shù)值。文檔編號(hào)G09B23/10GK101404124SQ20081009082公開日2009年4月8日申請(qǐng)日期2008年4月3日優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日發(fā)明者鐵李申請(qǐng)人:鐵李