* * * * 중학교 물리 실험
실험 보고서
강좌 이름: 물리적
실험명: 속도, 가속도 측정 및 뉴턴 운동 법칙의 검증
실험 형식: 현장 실습
제출 양식: 서면 실험 보고서 제출
학생 이름: 학번:
학년:
제출 시간: 2015 년 10 월 12 일
첫째, 실험 목적
1. 에어쿠션 레일의 구조와 성능을 이해하고 에어쿠션 레일의 조절과 사용 방법에 익숙하다.
2. 광전 타이밍 시스템의 기본 작동 원리를 이해하고 광전 타이밍 시스템으로 짧은 시간을 측정하는 방법을 배웁니다.
3. 에어쿠션 레일에서 속도, 가속도를 측정하는 원리와 방법을 익힙니다.
4. F=ma 의 관계를 실험적으로 검증하여 뉴턴의 제 2 법칙에 대한 이해를 깊게합니다.
물리 법칙을 검증하는 기본 실험 방법을 습득하십시오.
둘째, 실험 원리
1. 속도 측정
T ~ t+δ t 시간 내에 통과하는 변위가 δ x (x ~ x+δ x) 인 경우, δ t 시간 내의 물체의 평균 속도는 δ t 가 작을수록 평균 속도는 t 시간의 실제 속도에 더 가까워집니다. δ t → 0 에서 평균 속도의 한계는 t 순간 (또는 x 위치) 의 순간 속도
입니다(1)
실제 측정에서 타이밍 장치는 T → 0 의 시간을 기록할 수 없으므로 직접 (1) 로 한 점의 속도를 측정하는 것은 달성하기 어렵다. 그러나 특정 오차 범위 내에서 작은 변위인 x 를 취하고 해당 시간 간격인 δ t 를 측정하면 t 시간 대신 평균 속도로 x 점에 도달하는 순간 속도를 대략적으로 대체할 수 있습니다. 이 실험에서 X 를 고정 값 (약 10mm) 으로 취하고 광전기 타이밍 시스템으로 X 를 통과하는 데 필요한 매우 짧은 시간 T 를 측정하여 순간 속도 측정 문제를 잘 해결했다.
2. 가속도 측정
에어쿠션 레일에서 일정 거리 S 의 두 위치에 각각 광전 문을 배치하여 슬라이더가 두 위치를 통과할 때의 속도 v1 과 v2 를 측정합니다. 균일 가속 직선 운동 문제의 경우 가속도, 속도, 변위 및 동작 시간 간의 관계를 통해 가속도 A 를 측정할 수 있습니다.
(1) 측정 가속도
에어쿠션 레일에서 슬라이더가 일정한 거리에 있는 두 개의 광전문을 통과할 때의 속도는 각각 v1 과 v2 이고, 두 광전 문 사이의 시간이 t21 이면 가속도 A 는
입니다(2)
슬라이더 가속도는 공식 (2) 에 따라 계산됩니다.
(2) 측정 가속도
V1 과 v2 를 슬라이더가 두 개의 광전 도어를 통과하는 속도로 설정하고, S 는 두 광전 도어 사이의 거리인 경우 가속도 A 는
입니다(3)
준식 (3) 에 따라 균일한 가속 직선 모션 슬라이더의 가속도를 계산할 수도 있습니다.
(3) 측정 가속도
균일하게 가속화된 직선 동작 가속도 a, 변위 s (s = x-x0) 및 동작 시간 t 사이의 관계에 따라 가속도를 측정할 수도 있습니다. 이에 따라 가속도를 계산하는 여러 가지 방법이 있는데, 한 가지 방법은 식 (4) 에 따라 작도법으로 가속도를 구하는 것이다.
(4)
실험 시 초기 위치인 x0 (광전문 1 의 위치) 을 고정하고, 다른 끝 위치인 X (광전문 2 의 위치) 를 변경하여 물체 (슬라이더) 를 정지에서 움직이게 하고, 해당 운동 시간인 T 를 측정하여 관계선을 만듭니다. 직선인 경우 물체가 균일하게 가속운동을 하는 것을 의미하고, 선의 기울기는 이다.
위의 내용은 가속도 a 를 측정하는 세 가지 방법을 설명합니다. 구체적으로 측정할 때 에어쿠션 레일을 수평으로 조절한 다음 슬라이더를 수평 방향으로 일정하게 하면 슬라이더의 움직임은 직선 운동을 균일하게 가속화하는 것이다. 에어쿠션 레일을 수평으로 조절한 다음 한쪽 끝을 H 높이로 올려 에어쿠션 레일을 기울일 수도 있고, 슬라이더가 기울기 θ로 기울어진 레일 위에서 미끄러지며, 움직임도 균일하게 직선 운동을 가속화할 수 있습니다.
뉴턴의 두 번째 법칙 확인
뉴턴의 두 번째 법칙은 물체의 가속도가 외부 힘에 비례하여 자체 질량에 반비례하고 가속도의 방향이 외부 힘의 방향과 같다는 것을 설명합니다. 수학 표현은
입니다F=ma (5)
뉴턴의 두 번째 법칙을 연구하기 위해 그림 1 과 같이 움직이는 물체 시스템을 고려해 보십시오. 시스템은 (슬라이더) 와 (무게) 두 개의 물체로 구성되어 있습니다. 공기 저항력과 에어쿠션의 슬라이더에 대한 점도는 무시하며 풀리와 가는 선의 품질 등을 고려하지 않습니다.
그림 1 뉴턴의 제 2 법칙 확인
에어쿠션 레일 수준을 조절한 후 일정한 품질의 무게판을 가는 선으로 에어쿠션 레일을 통과하는 풀리를 통해 슬라이더에 연결합니다. 슬라이더 부분의 질량은 슬라이더 자체의 중력이 되고, 에어쿠션이 슬라이더에 떠 있는 힘은 N 이고, 이 두 힘은 서로 균형을 이루고, 슬라이더가 수직 방향으로 받는 외부 힘은 0 입니다. 슬라이더는 가는 선의 장력을 수평으로 받습니다. 이 힘은 가는 선에 작용하는 무거운 무게로 인해 발생하는 장력 T 입니다. 에어 쿠션 레일과 슬라이더 및 가는 선의 점성 저항과 공기 저항이 무시되기 때문에
가 있습니다(6)
A 는 운동 시스템의 가속도이며, 유형 (6) 에 따라
가 있습니다(7)
식 (7) 에서 m=m1+m2 가 움직이는 물체 시스템의 총 질량을 나타내고 F=m2g 가 움직이는 방향으로 물체 시스템이 받는 외부 힘을 나타내는 경우 식 (7) 은 식 (5)F=ma 입니다. 식 (7) 에 따르면 뉴턴의 제 2 법칙을 검증하는 것은 다음 두 단계로 나눌 수 있다.
(1) 시스템의 총 질량 m 이 그대로 유지되는 경우 가속도 a 는 외부 힘 f 에 비례해야 하며 비율은 상수, 즉
입니다(8)
실험할 때 총 질량 M 을 그대로 유지하면서 외부 힘 Fi=m2ig (즉, 디스크 무게의 질량을 하나씩 변경하여 시스템의 해당 가속도 ai 를 측정합니다.
실험 오차가 허용되는 범위 내에서 (9) 성립된 경우
(9)
M 이 변하지 않는 경우 A 와 F 는 정비례한다는 것을 검증했다. 위의 A 와 F 데이터를 A ~ F 다이어그램으로 사용할 수도 있습니다. 직선인 경우 검증식 (8) 즉, A 는 F 에 비례합니다.
(2) 시스템이 외부 힘 F=m2g 를 그대로 유지하는 경우 가속도 a 의 크기는 시스템의 총 질량 m=m1+m2 에 반비례해야 합니다. 즉,
(10)
마찬가지로, 실험할 때 외부 힘 F=m2g 를 그대로 유지하고 시스템의 총 질량 mi=m1i+m2 를 변경하여 슬라이더에 서로 다른 무게의 질량 블록을 하나씩 추가하여 시스템의 해당 가속도 ai 를 측정합니다. 실험 오차가 허용되는 범위 내에서 (11) 성립된 경우
(11)
F 가 변하지 않는 경우 A 는 M 에 반비례한다는 것을 검증했다. 위의 A 및 M 데이터를 A ~ 관계 다이어그램으로 사용할 수도 있습니다. 직선인 경우 검증식 (10), 즉 A 와 M 에 반비례할 수 있습니다.
스타일 (8) 과 스타일 (10) 이 모두 검증되면 스타일 (7) 즉, 뉴턴의 두 번째 법칙이 검증됩니다.
4. 실험과 이론이 일치하는지 판단한다
실험 데이터에 따르면 가속도 A 실험값의 불확실성과 이론값의 불확실성을 계산하는데, 식 (12) 이 성립되면
(12)
실험이 이론을 검증했다는 것을 보여줍니다. 그렇지 않으면, 실험은 이론을 검증할 수 없고, 원인을 밝혀야 한다. 스타일 (12) 에서 허용되는 실험의 최대 오차 가능한 범위입니다.
셋째, 실험 장비
에어 쿠션 레일, 광전 타이밍 시스템, 슬라이딩 질량 블록 (철 블록) 및 기타 블록, 무게,.
넷째, 실험 내용
1. 실험 내용
본 실험 장치의 조건 하에서 측정 슬라이더가 에어쿠션 레일에서 움직이는 공기 저항을 측정하는 실험 방안을 설계하였다.
2. 설계 요구 사항
(1) 기본 실험 원리와 실험 방법을 설명한다. (2) 기본 실험 단계를 설명하십시오. (3) 실제 실험 측정을 수행한다. (4) 데이터 처리 방법을 설명하고 슬라이더 모션의 저항과 동작 속도의 관계를 제공합니다. (5) 실험 결과를 분석하고 토론한다.
다섯째, 실험 데이터
1.
2. 에어쿠션 레일 수평 조절 데이터에 따라 레일이 수평인지 판단하고 원인을 분석합니다.
3. 각 외부 힘 및 전체 질량 조건에서 가속도의 이론적 값, 실험값 및 상대 백분율 오차를 별도로 계산하고 실험 결과를 분석하여 검증식 (8) 및 식 (10) 을 확인합니다.
4. 작도법은 이론과 실험이 일치하는지 판단한다. 직각좌표지나 컴퓨터로 각각 관계도선을 만들어 실험이 이론을 검증했는지 판단하다. 기울기를 구하여 총 질량과 외부 힘의 실험값을 각각 계산하고, 실제 값 (이론값) 과 비교하여 상대 백분율 오차와 를 각각 계산합니다.
5. 직접 계산법은 이론과 실험이 일치하는지 판단한다. 이러한 외부 힘 중 하나와 총 질량 상황 중 하나를 선택하여 각각 실험값의 불확실성과 이론값의 불확실성을 계산하고, 성립 여부를 판단하고, 실험이 이론을 검증할 수 있는지 여부를 분석합니다.
6. 실험 결과를 분석하고 토론하여 실험이 뉴턴의 제 2 법칙을 검증했는지 여부를 설명한다.
여섯째, 결론
1, 뉴턴의 제 2 법칙을 검증했다.
2, 슬라이더가 받는 기체 저항과 슬라이더 운동 속도의 관계에 대해 성립
참고: 이 보고서는 총 평가 성적의 10% 를 차지하는 평가에 포함되어 있습니다.
도와드릴 수 있기를 바랍니다. 감사합니다.