实验2运动体轨迹和相关物理量测量含牛顿第二运.PDFVIP

實驗 2 ：運動體軌跡和相關物理量測量 含牛頓第二運動定律驗證( ) 封面照：運動學實驗系統組裝。 一、目的 善用適當的實驗方法、儀器和裝置 ，才能完成優質精準的實驗，故本實驗的目的如下： 1.熟悉光電計時器和光電閘測量儀器的使用技巧和如何獲得精確的測量值。 2. 學習以光電計時器和光電閘測量物體做一維運度時，各種運動物理量隨時間t變化的 軌跡和趨勢，如運動體的位置、速度、加速度和所受淨力隨時間的變化關係。 3. 學習以數位攝影或錄影方式記錄物體的運動狀況。 4. 學習熟用數位影像位置擷取與數據分析軟體，如Vernier的 Logger Pro 套裝軟體。 5. 學習以不同儀器、不同方法量測或紀錄運動體的運動軌跡和運動相關的物理量。 6. 並觀察比較各使用儀器的差異性、優缺點、與所得之實驗數據的精確度。 7.觀測滑車在外力作用下的一維運動情形，以驗證一維空間的牛頓第二運動定律。 二、原理 牛頓第二運動定律描述：物體運動時的加速度和它所受外力總和的大小成正比，但和物 體的質量成反比 ；運動方程式如下示   (1) Fi Ma i  式中 Fi 為物體所受外力的向量和，又稱為總淨力(net force) ，為一向量，具有大小和方向。  a M 為物體的質量，是一純量，只有大小，沒有方向。 是 物體的加速度，亦為一向量，故含 有大小和方向。 本實驗利用下列兩種實驗過程驗證一維空間的牛頓第二運動定律： (1) 對質量固定的物體(滑車) M ，施以不同大小的作用力F ，觀測物體所產生的加速度a 與作 用力間的關係，即觀測 a(F)的函數關係。 實驗 2 ：牛頓第二運動定律與運動體軌跡和相關運動物理量測 共 16頁 第 1頁 (2)固定作用力 F的大小，改變受力物體的質量 M ，觀測物體所產生的加速度a 與物體質量 M間的關係，即觀測 a(M)的函數關係。 本實驗測量的基本設計如圖1所示 ，將質量為 m的物體垂直懸掛於 架設在軌道一側幾乎 無摩擦力的理想滑輪上。因受重力作用，使物體對經滑輪上的傳動線弦線( 或繩線 )產生一向 下的作用力；並經此傳動線，將重力轉成施加位於水平軌道上的小車的作用力，並使用 M和 m 物體一起產生一加速度運動。相較運動物體的質量M + m 而言，通常所使用的傳動線質量 很輕，可以忽略不計。不考慮方向問題，則運動方程式和加速度大小的理論值分別為  m Fi mg (M  m)ath ath g i M  m 圖 1驗證 一維牛頓第二運動定律的實驗結構示意圖。 三、器材 每組請自備一台筆記型電腦和一只隨身碟，另由普物實驗室提供下列四項器材使用 ： 1. 光電閘式測量系統：可精確測量七種不同運動物理量數據的測量器，見圖 2圖-