本發明涉及一種物理實驗方法，尤其涉及一種牛頓第一定律實驗方法。

背景技術：

在中學物理教學中，牛頓第一定律是一個重要學習內容。牛頓第一定律表明，一切物體在沒有受到力的作用時(合外力為零時)，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種運動狀態。它是物理學中一條基本力學定律。

由于地球引力的存在，沒有受到外力作用的物體并不存在，在驗證牛頓第一定律的實驗中，物體在沒有受到力的作用(合外力為零)時保持靜止的示例很多，但是在驗證物體在受到合外力為零的力的作用時，物體保持勻速直線運動狀態的現象很難找到，由于摩擦力的存在，很難得到純粹的物體做勻速直線運動狀態，常見的較為準確的是利用氣墊導軌，讓小車通過不同的光電門，所用時間相同，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動。但是這種方法一是設備較大，需要專門的場地才能進行；二是實驗中噪音很大，影響環境，影響實驗教學的效果；三是實驗結果并不準確，因為小車確實不是在做勻速直線運動，光電門所測得的是小車運行到不同位置區間時的速度，由于摩擦力、空氣的粘滯阻力等影響，所以小車通過各個光電門所在的位置區間所用的時間并不相等，有時差距很大，難以讓學生相信小車是在做勻速直線運動。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種實驗方法，實現物體在受到合外力為零的力的作用時，總保持勻速直線運動狀態，從而精確的驗證牛頓第一定律。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種牛頓第一定律實驗方法，包括：

選取兩個光電門，分別為第一光電門、第二光電門，并均與計時裝置連接。

作為優選，計時裝置選用HA8-J0201-CC型數字計時器，該計時器具有兩種計時工作狀態：(1)“S1”狀態，任一光電門遮光時開始計時，遮光結束后停止計時，儀器屏幕依次顯示出遮光次數和遮光時間。(2)“S2”狀態，第一光電門4遮光時開始計時，第二光電門5遮光時停止計時，儀器屏幕可依次顯示出前10個兩次遮光的間隔時間。

選取輕質金屬小球；

作為優選，小球為鋁制輕質金屬球，直徑為5mm。

選取透明的液體介質，裝入細長玻璃筒內；

作為優選，所述的的液體介質選擇粘滯系數較大的透明的縫紉機油。

將輕質金屬小球投入裝滿透明的縫紉機油的玻璃筒內，小球在縫紉機油內自由下落，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；

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，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動，當小球下落速度達到一定大小時，這三個力之和等于零，于是小球就以勻速下落，這個速度稱為收尾速度V₀。

本實驗裝置中，實際液體遠遠不能滿足無限寬廣的條件，所以由于玻璃筒直徑相對于小球不滿足無限寬廣所帶來的影響，對小球產生了附加的作用力，不能滿足托克斯定律公式。由流體力學可知，當小球處于玻璃筒的中心自由下落時，器壁對液體介質的擠壓作用對小球產生的橫向力相互抵消，僅在小球下落過程中產生一個向上的阻力F₂，當F₂與粘滯阻力F₁、重力G以及浮力F相平衡時，即小球所受合外力之和等于零，于是小球保持平衡時的速度不再變化，以勻直線速下落。這個勻速下落的速度為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動，如圖2所示。

輕質金屬小球在液體中自由下落時，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徑可以做得很小，選取玻璃筒內徑為10～20mm，小球的直徑可以做得較大，選取輕質小球的直徑為5～7mm，保證小球下落時通過光電門發光裝置發出的光線，實現遮光計時。

實驗中，首先將輕質金屬小球投入裝滿縫紉機油的玻璃筒的中心處，金屬小球在縫紉機油內自由下落，通過觀察判定小球在透明的縫紉機油內自由下落達到勻速運動V₀′，在玻璃筒上相對于此時小球所在的位置做出標記，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。

采用兩種方法驗證小球確實是勻速運動狀態，并測量出小球運動的速度V₀′：

方法一：小球通過第一光電門，遮光時開始計時，遮光結束后停止計時；小球繼續通過第二光電門，同樣遮光時開始計時，遮光結束后停止計時，儀器屏幕依次顯示出遮光次數和遮光時間，可以看出小球通過兩個光電門時遮光時間是相等的，可以證明小球是在做勻速運動。通過測量小球的直徑，則小球的直徑除以遮光時間，即為小球的運行速度V₀′。或者說小球在下落速度達到V₀′時，所受合外力為零，保持速度為V₀′的勻速直線運動。

方法二：將第一光電門、第二光電門之間距離調整為某一整數值，小球通過第一光電門遮光時數字計時器開始計時，通過第二光電門遮光時停止計時，儀器屏幕顯示出兩次遮光的間隔時間，用小球通過兩光電門的距離除以小球兩次遮光的間隔時間，即可得到小球運行的速度。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間也增加一倍，可以說明小球在合外力為零時，保持勻速直線運動。而且勻速直線運動的速度V₀′是一個定值。

通過該實驗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(合外力為零時)，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為本發明實施例提供的牛頓第一定律實驗裝置的結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的牛頓第一定律實驗方法的原理圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述。

一種牛頓第一定律實驗方法，包括：

裝置調整，首先向玻璃筒內加入所選取的透明液體介質，如透明的縫紉機油至略低于玻璃筒1的管口，然后將玻璃筒置于水平的平臺上，目的是為了使得玻璃筒處于和水平面保持垂直狀態，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生的橫向力相互抵消，保證了筒壁對小球所產生作用力的合力F₂方向向上。

在正式測量前，需要大致判斷出小球下落受力達到平衡時的位置，具體操作是將輕質金屬小球投入裝滿縫紉機油的玻璃筒的中心處，小球在縫紉機油內自由下落，小球由初速度為零開始速度逐漸增大，當速度達到V₀′時，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動，通過觀察即可判定小球在縫紉機油內開始做勻速運動的位置，在玻璃筒上相對于此位置做出標記，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，因筒底對液體的擠壓作用，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，不是勻速直線運動狀態，所以第二光電門應在距離玻璃筒底部約10厘米以上。

以下分為兩種方法驗證小球確實是勻速運動狀態，并測量出小球運動的速度V₀′：

一是將HA8-J0201-CC型數字計時器置于“S1”狀態。當小球通過第一光電門，遮光時開始計時，遮光結束后停止計時，小球繼續通過第二光電門，同樣遮光時開始計時，遮光結束后停止計時，儀器屏幕依次顯示出遮光次數和遮光時間，可以看出小球通過兩個光電門時遮光時間基本上是相等的。通過測量小球的直徑，則小球的直徑除以遮光時間，即為小球的運行速度，可以得到小球通過第一光電門、第二光電門時的運行速度相等。所以小球在下落速度達到V₀′時，所受合外力為零，保持速度為V₀′的勻速直線運動。

二是將HA8-J0201-CC型數字計時器置于“S2”狀態。為方便實驗操作，將第一光電門、第二光電門之間距離調整為某一整數值，如間距10厘米，小球通過第一光電門遮光時數字計時器開始計時，通過第二光電門遮光時停止計時，儀器屏幕顯示出兩次遮光的間隔時間，用小球通過兩光電門的距離除以小球兩次遮光的間隔時間，即可得到小球運行的速度。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間也增加一倍，可以說明小球在合外力為零時，保持勻速直線運動，而且勻速直線運動的速度V₀′是一個定值，除非改變小球的質量或改變液體的粘滯系數等實驗條件。

以上兩種測量方法中，第二種方法將數字計時器置于“S2”狀態，測量精度高于第一種方法。這是因為小球在測量條件不變的情況下，實際勻速運動的速度V₀′是恒定的。在小球下落的數次測量中，小球運行的距離長，所經歷的間隔時間也長，二者相除后，各次測量的勻速運動的速度值相差極小，即相對誤差減小。

通過該實驗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(合外力為零時)，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的牛頓第一定律實驗方法具有如下特點：

(1)小球自由下落達到平衡時，所受到的合外力為零，被測物體不是做近似的勻速運動，而是真實的在做勻速直線運動，數字計時裝置又具有較高的精度，所以通過本發明的實驗方法可以精確驗證牛頓第一定律，并可作為產生勻速直線運動的通用裝置用于其它實驗中。

(2)由于小球在液體中自由下落時，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通過光電門發光裝置發出的光線，實現遮光計時。所以調整方便，操作快捷，成功率高。

(3)改變小球的質量，或將縫紉機油改換為粘滯系數不同的其它液體，小球勻速下落的速度V₀′發生改變，但仍為勻速直線運動。

(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，既可以作演示實驗，也可以做定量實驗。

所以一種牛頓第一定律實驗方法，操作方法簡單，沒有噪音，在任何地點都可以操作，精確驗證牛頓第一定律。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。