力和加速度

Physics I

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Overview

资料来源:尼古拉斯 · 蒂蒙斯Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

这个实验的目标是滑翔机的了解力与运动利用牛顿第二定律的组件通过测量加速度被外力。

可以用艾萨克 · 牛顿三大运动定律描述运动在日常生活中几乎每一个方面。他们描述如何运动的物体将倾向于留在运动 (第一定律),对象将加速时外力净 (第二定律),和每个对象所施加的力将平等和相反力施加的回该对象 (第三定律)。几乎所有的高中和本科力学基于这些简单的概念。

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JoVE Science Education Database. 物理学精要 I. 力和加速度. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

物理学中最著名的方程之一就是牛顿第二定律:

Equation 1.(方程 1)

它只是指出,在对象上的力是等于乘以它的加速度物体的质量。

在实验中要遵循,一架滑翔机将通过滑轮连接到落锤。因为摩擦所致滑翔机沿着轨道滑动会导致额外的力量,是很难衡量,滑翔机将气垫导轨,以减少摩擦。气垫导轨创建一个气垫之间的滑翔机和跟踪,减少任何摩擦到近似为零。重量的力将加速方程1 滑翔机。

重量上的力会因重力和紧张局势的字符串连接到滑翔机的落锤。紧张会反对落锤的方向和将作为引力方程中有相反的符号。因此,方程 1变为Equation 2,其中 T 是紧张和Equation 3是 (~9.8 m/s2) 重力加速度。重力加速度将保持不变,力可以通过添加大量增加。

随着体重下降,它在连接到滑翔机重量的字符串创建张力。滑轮改变拉力的方向从垂直到水平。与任何其他连接,在字符串中的张力等于落锤,适用于滑翔机的力相同大小的力。因此,在滑翔伞上的力将等于拉力 T;Equation 5因为重量和滑翔机相连,其加速度将为这两个对象相同。若要计算加速度对由于拉滑翔机的重量,部队被等同。

Equation 7这可以解决的:Equation 6

Equation 8.(公式 2)

为了测量加速度,光板计时器是从滑翔机的初始位置放置 20 厘米。加速度可以从实测的最终速度和距离使用以下公式计算:

Equation 9(公式 3)

Equation 10的最终速度是和Equation 11通过的距离。顶部的滑翔机国旗将通过光板,将记录的滑翔机从门口经过的时间量。国旗是 10 厘米长,所以滑翔机的速度等于国旗除以时间的长度。

Procedure

1.初始设置。

  1. 气垫导轨将有一个滑轮连接到另一端。绳子一端的滑翔机和运行它通过滑轮,在那里它将连接到悬挂重量。
  2. 在气垫导轨上 190 厘米标记放置的滑翔机。将光板计时器放在 100 厘米标记。滑翔机本身有一个大规模的 200 g.抓住滑翔机,以便它不移动和挂末尾添加重量,重量的总质量等于 10 g。
  3. 一旦权重到位,释放从其余滑翔机和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。
  4. 计算使用方程 2和实验值从方程 3的加速度的理论值。例如,如果滑翔机有大量 200 g 和悬挂重量有大规模的 10 g,然后理论的加速,从方程 2,是Equation 12如果测量的速度是 0.95 m/s,那么,使用方程 3,加速度的实验值是Equation 13

2.质量的滑翔机增加。

  1. 添加四个权重的滑翔,将双其质量。
  2. 释放系统从休息和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。计算加速度,从方程 2,理论值和实验值,从方程 3

3.增加在滑翔伞上的力。

  1. 向悬挂重量添加更多的质量,以便它有总质量为 20 克。
  2. 释放系统从休息和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。
  3. 计算加速度,从方程 2,理论值和实验值,从方程 3
  4. 向悬挂重量添加更多的质量,以便它有总质量为 50 克。
  5. 释放系统从休息和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。
  6. 计算加速度,从方程 2,理论值和实验值,从方程 3

牛顿第二定律描述力和加速度之间的关系,这种关系是最基本的概念应用到许多物理和工程领域之一。

F 等于马是牛顿第二定律的数学表达式。这说明了更大的力量需要移动对象的较大的质量。它还表明,对于给定的力加速度成反比质量。也就是说,具有相同作用力小群众更多更大的群众加快

在这里我们将演示实验,验证牛顿第二定律对一架滑翔机几乎没有摩擦气垫导轨上施加力的不同震级

如何运行实验的细节之前,让我们研究的概念和法律贡献的数据分析和解释。

设置由气垫导轨,一架滑翔机,在已知的距离d从起始点、 滑轮和字符串从滑翔机跑过滑轮的光板定时器组成。

如果一个附加到字符串末尾的重量,并释放它,重量会导致它的滑翔机加快施加一个力。这支部队是由牛顿第二定律给出了。同时,在重量上的力将减去张力中的字符串连接到滑翔机的落锤的重力加速度。这张紧力是重量的质量乘滑翔机的加速度。

等同的力量在滑翔伞上与体重增加力量,人们可以推导公式,理论计算滑翔机的加速度。

计算滑翔机的加速度的实验方法是光板计时器的帮助。这给了我们时间滑翔机采取旅行从起始点的距离d 。使用此信息,可以计算出滑翔机的速度,然后,借助这一运动学公式,可以计算出实验的加速度。

现在,我们理解的原则,让我们看看如何实际进行这个实验在物理实验室

如前所述,本实验使用一架滑翔机,由线到重量经过一个滑轮连接。滑翔机幻灯片空气沿轨道,创造一个气垫,减少摩擦到可以忽略不计的水平。

随着体重下降,滑轮重定向的线要拉滑翔机,顶有一个 10 厘米长标志里的紧张气氛。从起始点的已知距离的光板记录数量的时间,要通过它的标志

滑翔机的最终速度的长度除以时间通过光板的旗帜。滑翔机的最终速度与距离,就可以计算加速度。

通过在 100 厘米马克的气垫导轨和滑翔机在 190 厘米标记放置光板计时器设置实验。滑翔机有一个大规模的 200 克。持有的滑翔机,所以不移动,将权重添加到字符串的结尾,所以总挂质量也是 10 克

一旦权重到位,释放滑翔机,记录其五运行的速度,计算出平均。使用大规模的滑翔机和悬挂重量计算的理论和实验的加速度,然后记录结果。

现在添加滑翔机,增加一倍到 400 克其质量的四个更多的重量。滑翔机在 190 厘米标记的地方重复实验。释放的滑翔机和记录其五运行的速度。再次,计算和记录的平均速度和实验和理论的加速度。

最后一集的测试,所以它有其原始质量是 200 克从滑翔机就会删除权重。直到它有一个新的大规模 20 克的重量,然后,添加到悬挂质量。另一个五分的重复实验。

最后,向悬挂质量添加更多的权重,直到它是 50 克和重复实验五更运行。

还记得,滑翔机的理论加速度等于加速度重力g乘以落锤的质量和重量和滑翔机的质量比在一起。此表显示的理论值,加速度增加而减小的滑翔机增加的质量。

相反,加速度随质量的下降的体重增加,由于更大的力量。注意,通过该方程预测的加速度可以有最大值为g,这 9.8 米每秒的平方。

接下来,让我们看看如何计算实验的加速度。例如,第一次测试使用 200 克滑翔机和 10 克的重量。后旅行 100 厘米的平均速度是每秒 0.93 米。使用之前讨论过的运动学方程,实验加速度出来要 0.43 米每秒平方。这同样的计算,适用于其他的测试,产生在此表上显示的结果。

实验和理论的加速度之间的差异可能有几个原因,包括在测量精度、 气垫导轨,和下面的滑翔机,口袋里的空气可能添加或减去的张力柱沿力很小,但不是完全可以忽略不计摩擦的限制。

部队是在宇宙中几乎所有的现象存在。部队降到地球,影响日常生活的各个方面。

头碰可能造成的创伤和损害认知功能。体育相关脑震荡研究特别曲棍球头盔配备三轴加速度计用于测量撞击时的加速度。

膝上型计算机,供以后分析测量记录送交的遥测数据。知道的加速度和质量的头部,有可能利用牛顿第二定律,F = ma,计算影响部队对大脑。

土木工程师建造行人天桥感兴趣学习力脚这些结构上的荷载引起的影响。在此研究中,研究人员将传感器放测量振动诱导的行人天桥。结构响应然后被衡量垂直加速度,是一个重要的参数,在研究这些结构的稳定性

你刚看了朱庇特的引进,力和加速度。现在,您应该了解原则和实验室实验,验证牛顿第二运动定律背后的协议。一如既往,感谢您收看 !

Results

Equation 14
Equation 15
Equation 16
Equation 15
Equation 10
Equation 17
Equation 18
Equation 19
Equation 20 %的差异
200 10 0.93 0.47 0.43 9
400 10 0.66 0.24 0.22 9
200 20 1.28 0.89 0.82 9
200 50 1.96 1.69 1.92 145

这次实验的结果证实方程 23所作的预测。与在步骤 2 中滑翔机的大量增加,加速度较小,因为会需要较大的力,加速向相同的速度与步骤 1 的滑翔机。在步骤 3 中,悬挂重量的增加的质量确实增长了滑翔机,因而加速力。加速度增加增加的质量,作为预测。

摩擦是由于气垫滑翔机和轨道之间几乎为零。口袋里的空气并不完美,然而,和从轨道空气可能会在一个特定的方向推滑翔机。这可以通过允许滑翔机坐在空气轨道上,且没有应用到它的力量进行测试。如果滑翔机在任一方向上移动,可能有某种力量在滑翔机从轨道上。

Applications and Summary

牛顿第二定律从根本上挂钩动议人体验每一天。无需任何动力,对象将不加速和将保持静止或将继续以恒定的速度移动。因此,如果有人想要移动的东西,如当打棒球一定距离,必须应用足够的力量。可以用一样简单方程计算力Equation 21

正如需要合力加快对象,需要相同数量的力使物体降至零的速度。看Equation 1,显而易见,赤贫与大量的质量是很难阻止比具有较小质量的对象。很容易把自行车比火车停 !越快什么,更多的加速度需要使它停止,所以它需要更多力量来阻止一颗子弹比篮球。

当组件的力随时间变化,牛顿第二定律变得有点更加复杂。正在经历一些对象各种阻力,例如空气阻力,它的加速度随时间而变化。火箭是随时间变化的大量对象的一个示例。火箭燃烧燃料,它的质量变小了,和它实际上需要较少的力量加快随着时间的流逝。

在这个实验中,考察了力的组件。牛顿第二定律力等于质量乘以加速度的对象。通过调整滑翔机的质量,减少了滑翔机的加速度。在滑翔伞上增加力量,提高加速度,确认牛顿第二定律。这次实验的结果应该是准确,只要有没有其他力作用在滑翔机。这就是为什么在这个实验中使用气垫导轨减少摩擦。

1.初始设置。

  1. 气垫导轨将有一个滑轮连接到另一端。绳子一端的滑翔机和运行它通过滑轮,在那里它将连接到悬挂重量。
  2. 在气垫导轨上 190 厘米标记放置的滑翔机。将光板计时器放在 100 厘米标记。滑翔机本身有一个大规模的 200 g.抓住滑翔机,以便它不移动和挂末尾添加重量,重量的总质量等于 10 g。
  3. 一旦权重到位,释放从其余滑翔机和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。
  4. 计算使用方程 2和实验值从方程 3的加速度的理论值。例如,如果滑翔机有大量 200 g 和悬挂重量有大规模的 10 g,然后理论的加速,从方程 2,是Equation 12如果测量的速度是 0.95 m/s,那么,使用方程 3,加速度的实验值是Equation 13

2.质量的滑翔机增加。

  1. 添加四个权重的滑翔,将双其质量。
  2. 释放系统从休息和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。计算加速度,从方程 2,理论值和实验值,从方程 3

3.增加在滑翔伞上的力。

  1. 向悬挂重量添加更多的质量,以便它有总质量为 20 克。
  2. 释放系统从休息和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。
  3. 计算加速度,从方程 2,理论值和实验值,从方程 3
  4. 向悬挂重量添加更多的质量,以便它有总质量为 50 克。
  5. 释放系统从休息和记录速度的滑翔机。执行 5 运行和的平均值。
  6. 计算加速度,从方程 2,理论值和实验值,从方程 3

牛顿第二定律描述力和加速度之间的关系,这种关系是最基本的概念应用到许多物理和工程领域之一。

F 等于马是牛顿第二定律的数学表达式。这说明了更大的力量需要移动对象的较大的质量。它还表明,对于给定的力加速度成反比质量。也就是说,具有相同作用力小群众更多更大的群众加快

在这里我们将演示实验,验证牛顿第二定律对一架滑翔机几乎没有摩擦气垫导轨上施加力的不同震级

如何运行实验的细节之前,让我们研究的概念和法律贡献的数据分析和解释。

设置由气垫导轨,一架滑翔机,在已知的距离d从起始点、 滑轮和字符串从滑翔机跑过滑轮的光板定时器组成。

如果一个附加到字符串末尾的重量,并释放它,重量会导致它的滑翔机加快施加一个力。这支部队是由牛顿第二定律给出了。同时,在重量上的力将减去张力中的字符串连接到滑翔机的落锤的重力加速度。这张紧力是重量的质量乘滑翔机的加速度。

等同的力量在滑翔伞上与体重增加力量,人们可以推导公式,理论计算滑翔机的加速度。

计算滑翔机的加速度的实验方法是光板计时器的帮助。这给了我们时间滑翔机采取旅行从起始点的距离d 。使用此信息,可以计算出滑翔机的速度,然后,借助这一运动学公式,可以计算出实验的加速度。

现在,我们理解的原则,让我们看看如何实际进行这个实验在物理实验室

如前所述,本实验使用一架滑翔机,由线到重量经过一个滑轮连接。滑翔机幻灯片空气沿轨道,创造一个气垫,减少摩擦到可以忽略不计的水平。

随着体重下降,滑轮重定向的线要拉滑翔机,顶有一个 10 厘米长标志里的紧张气氛。从起始点的已知距离的光板记录数量的时间,要通过它的标志

滑翔机的最终速度的长度除以时间通过光板的旗帜。滑翔机的最终速度与距离,就可以计算加速度。

通过在 100 厘米马克的气垫导轨和滑翔机在 190 厘米标记放置光板计时器设置实验。滑翔机有一个大规模的 200 克。持有的滑翔机,所以不移动,将权重添加到字符串的结尾,所以总挂质量也是 10 克

一旦权重到位,释放滑翔机,记录其五运行的速度,计算出平均。使用大规模的滑翔机和悬挂重量计算的理论和实验的加速度,然后记录结果。

现在添加滑翔机,增加一倍到 400 克其质量的四个更多的重量。滑翔机在 190 厘米标记的地方重复实验。释放的滑翔机和记录其五运行的速度。再次,计算和记录的平均速度和实验和理论的加速度。

最后一集的测试,所以它有其原始质量是 200 克从滑翔机就会删除权重。直到它有一个新的大规模 20 克的重量,然后,添加到悬挂质量。另一个五分的重复实验。

最后,向悬挂质量添加更多的权重,直到它是 50 克和重复实验五更运行。

还记得,滑翔机的理论加速度等于加速度重力g乘以落锤的质量和重量和滑翔机的质量比在一起。此表显示的理论值,加速度增加而减小的滑翔机增加的质量。

相反,加速度随质量的下降的体重增加,由于更大的力量。注意,通过该方程预测的加速度可以有最大值为g,这 9.8 米每秒的平方。

接下来,让我们看看如何计算实验的加速度。例如,第一次测试使用 200 克滑翔机和 10 克的重量。后旅行 100 厘米的平均速度是每秒 0.93 米。使用之前讨论过的运动学方程,实验加速度出来要 0.43 米每秒平方。这同样的计算,适用于其他的测试,产生在此表上显示的结果。

实验和理论的加速度之间的差异可能有几个原因,包括在测量精度、 气垫导轨,和下面的滑翔机,口袋里的空气可能添加或减去的张力柱沿力很小,但不是完全可以忽略不计摩擦的限制。

部队是在宇宙中几乎所有的现象存在。部队降到地球,影响日常生活的各个方面。

头碰可能造成的创伤和损害认知功能。体育相关脑震荡研究特别曲棍球头盔配备三轴加速度计用于测量撞击时的加速度。

膝上型计算机,供以后分析测量记录送交的遥测数据。知道的加速度和质量的头部,有可能利用牛顿第二定律,F = ma,计算影响部队对大脑。

土木工程师建造行人天桥感兴趣学习力脚这些结构上的荷载引起的影响。在此研究中,研究人员将传感器放测量振动诱导的行人天桥。结构响应然后被衡量垂直加速度,是一个重要的参数,在研究这些结构的稳定性

你刚看了朱庇特的引进,力和加速度。现在,您应该了解原则和实验室实验,验证牛顿第二运动定律背后的协议。一如既往,感谢您收看 !

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