一種牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)方法與流程

本發(fā)明涉及一種物理實(shí)驗(yàn)方法，尤其涉及一種牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

在中學(xué)物理教學(xué)中，牛頓第一定律是一個(gè)重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。牛頓第一定律表明，一切物體在沒有受到力的作用時(shí)(合外力為零時(shí))，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它是物理學(xué)中一條基本力學(xué)定律。

由于地球引力的存在，沒有受到外力作用的物體并不存在，在驗(yàn)證牛頓第一定律的實(shí)驗(yàn)中，物體在沒有受到力的作用(合外力為零)時(shí)保持靜止的示例很多，但是在驗(yàn)證物體在受到合外力為零的力的作用時(shí)，物體保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的現(xiàn)象很難找到，由于摩擦力的存在，很難得到純粹的物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，常見的較為準(zhǔn)確的是利用氣墊導(dǎo)軌，讓小車通過不同的光電門，所用時(shí)間相同，說明在摩擦阻力極小、忽略空氣阻力情況下，小車近似勻速直線運(yùn)動(dòng)。但是這種方法一是設(shè)備較大，需要專門的場(chǎng)地才能進(jìn)行；二是實(shí)驗(yàn)中噪音很大，影響環(huán)境，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果；三是實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不準(zhǔn)確，因?yàn)樾≤嚧_實(shí)不是在做勻速直線運(yùn)動(dòng)，光電門所測(cè)得的是小車運(yùn)行到不同位置區(qū)間時(shí)的速度，由于摩擦力、空氣的粘滯阻力等影響，所以小車通過各個(gè)光電門所在的位置區(qū)間所用的時(shí)間并不相等，有時(shí)差距很大，難以讓學(xué)生相信小車是在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)物體在受到合外力為零的力的作用時(shí)，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而精確的驗(yàn)證牛頓第一定律。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)方法，包括：

選取兩個(gè)光電門，分別為第一光電門、第二光電門，并均與計(jì)時(shí)裝置連接。

作為優(yōu)選，計(jì)時(shí)裝置選用HA8-J0201-CC型數(shù)字計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器具有兩種計(jì)時(shí)工作狀態(tài)：(1)“S1”狀態(tài)，任一光電門遮光時(shí)開始計(jì)時(shí)，遮光結(jié)束后停止計(jì)時(shí)，儀器屏幕依次顯示出遮光次數(shù)和遮光時(shí)間。(2)“S2”狀態(tài)，第一光電門4遮光時(shí)開始計(jì)時(shí)，第二光電門5遮光時(shí)停止計(jì)時(shí)，儀器屏幕可依次顯示出前10個(gè)兩次遮光的間隔時(shí)間。

選取輕質(zhì)金屬小球；

作為優(yōu)選，小球?yàn)殇X制輕質(zhì)金屬球，直徑為5mm。

選取透明的液體介質(zhì)，裝入細(xì)長(zhǎng)玻璃筒內(nèi)；

作為優(yōu)選，所述的的液體介質(zhì)選擇粘滯系數(shù)較大的透明的縫紉機(jī)油。

將輕質(zhì)金屬小球投入裝滿透明的縫紉機(jī)油的玻璃筒內(nèi)，小球在縫紉機(jī)油內(nèi)自由下落，如果小球在液體中下落的速度很小，而且液體在各個(gè)方向上都是無限寬廣的，由斯托克斯定律可得到液體的粘滯阻力F₁

F₁＝6πηVR

式中：

η為液體的粘滯系數(shù)；

V是小球下落的速度；

R是小球的半徑。

小球在液體中下落時(shí)，重力G向下，浮力F和液體的粘滯阻力F₁向上，液體的粘滯阻力隨小球速度的增加而增加，小球從靜止開始做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小球下落速度達(dá)到一定大小時(shí)，這三個(gè)力之和等于零，于是小球就以勻速下落，這個(gè)速度稱為收尾速度V₀。

本實(shí)驗(yàn)裝置中，實(shí)際液體遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足無限寬廣的條件，所以由于玻璃筒直徑相對(duì)于小球不滿足無限寬廣所帶來的影響，對(duì)小球產(chǎn)生了附加的作用力，不能滿足托克斯定律公式。由流體力學(xué)可知，當(dāng)小球處于玻璃筒的中心自由下落時(shí)，器壁對(duì)液體介質(zhì)的擠壓作用對(duì)小球產(chǎn)生的橫向力相互抵消，僅在小球下落過程中產(chǎn)生一個(gè)向上的阻力F₂，當(dāng)F₂與粘滯阻力F₁、重力G以及浮力F相平衡時(shí)，即小球所受合外力之和等于零，于是小球保持平衡時(shí)的速度不再變化，以勻直線速下落。這個(gè)勻速下落的速度為V₀′，V₀′并不等于V₀，但仍是恒定的速度，所以小球仍以V₀′的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

輕質(zhì)金屬小球在液體中自由下落時(shí)，不用考慮液體是否無限寬廣的影響，所以盛放液體的玻璃筒內(nèi)徑可以做得很小，選取玻璃筒內(nèi)徑為10～20mm，小球的直徑可以做得較大，選取輕質(zhì)小球的直徑為5～7mm，保證小球下落時(shí)通過光電門發(fā)光裝置發(fā)出的光線，實(shí)現(xiàn)遮光計(jì)時(shí)。

實(shí)驗(yàn)中，首先將輕質(zhì)金屬小球投入裝滿縫紉機(jī)油的玻璃筒的中心處，金屬小球在縫紉機(jī)油內(nèi)自由下落，通過觀察判定小球在透明的縫紉機(jī)油內(nèi)自由下落達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)V₀′，在玻璃筒上相對(duì)于此時(shí)小球所在的位置做出標(biāo)記，即在玻璃筒上畫一條橫線。然后將第一光電門、第二光電門調(diào)整至該橫線以下，二光電門之間保持大約20厘米左右距離。

采用兩種方法驗(yàn)證小球確實(shí)是勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并測(cè)量出小球運(yùn)動(dòng)的速度V₀′：

方法一：小球通過第一光電門，遮光時(shí)開始計(jì)時(shí)，遮光結(jié)束后停止計(jì)時(shí)；小球繼續(xù)通過第二光電門，同樣遮光時(shí)開始計(jì)時(shí)，遮光結(jié)束后停止計(jì)時(shí)，儀器屏幕依次顯示出遮光次數(shù)和遮光時(shí)間，可以看出小球通過兩個(gè)光電門時(shí)遮光時(shí)間是相等的，可以證明小球是在做勻速運(yùn)動(dòng)。通過測(cè)量小球的直徑，則小球的直徑除以遮光時(shí)間，即為小球的運(yùn)行速度V₀′?；蛘哒f小球在下落速度達(dá)到V₀′時(shí)，所受合外力為零，保持速度為V₀′的勻速直線運(yùn)動(dòng)。

方法二：將第一光電門、第二光電門之間距離調(diào)整為某一整數(shù)值，小球通過第一光電門遮光時(shí)數(shù)字計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，通過第二光電門遮光時(shí)停止計(jì)時(shí)，儀器屏幕顯示出兩次遮光的間隔時(shí)間，用小球通過兩光電門的距離除以小球兩次遮光的間隔時(shí)間，即可得到小球運(yùn)行的速度。然后將第二光電門每次下移10厘米，同樣的方法操作3-5次，可以看到小球通過兩光電門的距離增加一倍，小球兩次遮光的間隔時(shí)間也增加一倍，可以說明小球在合外力為零時(shí)，保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。而且勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度V₀′是一個(gè)定值。

通過該實(shí)驗(yàn)可以精確地證明牛頓第一定律，即一切物體在沒有受到力的作用時(shí)(合外力為零時(shí))，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)方法的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

一種牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)方法，包括：

裝置調(diào)整，首先向玻璃筒內(nèi)加入所選取的透明液體介質(zhì)，如透明的縫紉機(jī)油至略低于玻璃筒1的管口，然后將玻璃筒置于水平的平臺(tái)上，目的是為了使得玻璃筒處于和水平面保持垂直狀態(tài)，這樣才能保證小球始終沿著玻璃筒1的中心位置自由下落，也使得小球所受到筒壁影響產(chǎn)生的橫向力相互抵消，保證了筒壁對(duì)小球所產(chǎn)生作用力的合力F₂方向向上。

在正式測(cè)量前，需要大致判斷出小球下落受力達(dá)到平衡時(shí)的位置，具體操作是將輕質(zhì)金屬小球投入裝滿縫紉機(jī)油的玻璃筒的中心處，小球在縫紉機(jī)油內(nèi)自由下落，小球由初速度為零開始速度逐漸增大，當(dāng)速度達(dá)到V₀′時(shí)，小球所受到的合外力為零，開始以V₀′的恒定速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，通過觀察即可判定小球在縫紉機(jī)油內(nèi)開始做勻速運(yùn)動(dòng)的位置，在玻璃筒上相對(duì)于此位置做出標(biāo)記，即在玻璃筒上畫一條橫線。然后將第一光電門、第二光電門調(diào)整至該橫線以下，并保持二光電門之間距離大約20厘米左右。注意小球在接近玻璃筒的底部時(shí)，因筒底對(duì)液體的擠壓作用，使得液體的粘滯阻力逐漸增大，小球所受到的合外力不再為零，不是勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以第二光電門應(yīng)在距離玻璃筒底部約10厘米以上。

以下分為兩種方法驗(yàn)證小球確實(shí)是勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并測(cè)量出小球運(yùn)動(dòng)的速度V₀′：

一是將HA8-J0201-CC型數(shù)字計(jì)時(shí)器置于“S1”狀態(tài)。當(dāng)小球通過第一光電門，遮光時(shí)開始計(jì)時(shí)，遮光結(jié)束后停止計(jì)時(shí)，小球繼續(xù)通過第二光電門，同樣遮光時(shí)開始計(jì)時(shí)，遮光結(jié)束后停止計(jì)時(shí)，儀器屏幕依次顯示出遮光次數(shù)和遮光時(shí)間，可以看出小球通過兩個(gè)光電門時(shí)遮光時(shí)間基本上是相等的。通過測(cè)量小球的直徑，則小球的直徑除以遮光時(shí)間，即為小球的運(yùn)行速度，可以得到小球通過第一光電門、第二光電門時(shí)的運(yùn)行速度相等。所以小球在下落速度達(dá)到V₀′時(shí)，所受合外力為零，保持速度為V₀′的勻速直線運(yùn)動(dòng)。

二是將HA8-J0201-CC型數(shù)字計(jì)時(shí)器置于“S2”狀態(tài)。為方便實(shí)驗(yàn)操作，將第一光電門、第二光電門之間距離調(diào)整為某一整數(shù)值，如間距10厘米，小球通過第一光電門遮光時(shí)數(shù)字計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，通過第二光電門遮光時(shí)停止計(jì)時(shí)，儀器屏幕顯示出兩次遮光的間隔時(shí)間，用小球通過兩光電門的距離除以小球兩次遮光的間隔時(shí)間，即可得到小球運(yùn)行的速度。然后將第二光電門每次下移10厘米，同樣的方法操作3-5次，可以看到小球通過兩光電門的距離增加一倍，小球兩次遮光的間隔時(shí)間也增加一倍，可以說明小球在合外力為零時(shí)，保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，而且勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度V₀′是一個(gè)定值，除非改變小球的質(zhì)量或改變液體的粘滯系數(shù)等實(shí)驗(yàn)條件。

以上兩種測(cè)量方法中，第二種方法將數(shù)字計(jì)時(shí)器置于“S2”狀態(tài)，測(cè)量精度高于第一種方法。這是因?yàn)樾∏蛟跍y(cè)量條件不變的情況下，實(shí)際勻速運(yùn)動(dòng)的速度V₀′是恒定的。在小球下落的數(shù)次測(cè)量中，小球運(yùn)行的距離長(zhǎng)，所經(jīng)歷的間隔時(shí)間也長(zhǎng)，二者相除后，各次測(cè)量的勻速運(yùn)動(dòng)的速度值相差極小，即相對(duì)誤差減小。

通過該實(shí)驗(yàn)可以精確地證明牛頓第一定律，即一切物體在沒有受到力的作用時(shí)(合外力為零時(shí))，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)方法具有如下特點(diǎn)：

(1)小球自由下落達(dá)到平衡時(shí)，所受到的合外力為零，被測(cè)物體不是做近似的勻速運(yùn)動(dòng)，而是真實(shí)的在做勻速直線運(yùn)動(dòng)，數(shù)字計(jì)時(shí)裝置又具有較高的精度，所以通過本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法可以精確驗(yàn)證牛頓第一定律，并可作為產(chǎn)生勻速直線運(yùn)動(dòng)的通用裝置用于其它實(shí)驗(yàn)中。

(2)由于小球在液體中自由下落時(shí)，不用考慮液體是否無限寬廣的影響，所以盛放液體的玻璃筒內(nèi)徑可以做得很小，小球的直徑可以做得較大，而光電門尺寸也較小，較容易的保證小球下落時(shí)通過光電門發(fā)光裝置發(fā)出的光線，實(shí)現(xiàn)遮光計(jì)時(shí)。所以調(diào)整方便，操作快捷，成功率高。

(3)改變小球的質(zhì)量，或?qū)⒖p紉機(jī)油改換為粘滯系數(shù)不同的其它液體，小球勻速下落的速度V₀′發(fā)生改變，但仍為勻速直線運(yùn)動(dòng)。

(4)小球在液體中被折光放大，并以緩慢的速度勻速下降，方便觀察，既可以作演示實(shí)驗(yàn)，也可以做定量實(shí)驗(yàn)。

所以一種牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)方法，操作方法簡(jiǎn)單，沒有噪音，在任何地點(diǎn)都可以操作，精確驗(yàn)證牛頓第一定律。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。