運動體軌跡和相關物理量測量(含牛頓第二運動定律驗證)

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1 運動體軌跡和相關物理量測量(含牛頓第二運動定律驗證)
目的: 1.熟悉運動體軌跡和相關物理量測量方式 (光電計時器與攝影軟體分析) 2.測量滑車受外力之運動, 驗證第二運動定律 清華大學普物實驗室 201809_FYLee

2 實驗: m1 a m2 mt 牛頓第二運動定律驗證 (一)軌道水平校正 : 將水平儀置於軌道上，利用調整軌道三支點調整水平。
可利用滑車測試是否水平(How?)。 (二)質量保持固定，加速度和施力的關係： 測量滑車質量，將砝碼置於車上，然後利用細線連接滑車和掛鉤，滑車於空氣軌上，使棉線跨過空氣軌側邊滑輪，砝碼掛勾下垂。 注意：做實驗時應注意細線的長度，必須避免滑車撞擊邊緣，另落地後得到的數據需去除。 以光電計時器測定: 2.定點放開滑車，記錄光電計時器(a)位置對時間，(b)位置對速度及加速度；改變光電閘位置，重覆3次，計算(a)與(b)所得之加速度。 3.將原本滑車上的砝碼移置下掛砝碼掛勾(維持總質量不變)，做4組實驗。 4.比較步驟(a)及(b)所得結果， 並將這些結果與理論值作比較。 m2 mt a m1

3 (三) 施力保持固定，加速度和質量的關係：
1.在掛鉤下加砝碼，使其總質量約為20克。 2.改變滑車上的砝碼重量，如步驟（二）的方法記錄數據。 3.如步驟（二）之5或6算出加速度之值，並與理論值作比較。 (四)作圖： 1. 總質量固定時，物體的加速度與施力大小的關係圖：以施力為橫座標，加速度為縱座標。 2. 施力固定時，物體的加速度與質量的關係圖： (1)以系統總質量(滑車+下掛砝碼)為橫座標，加速度為縱座標。 (2)以質量為橫座標，加速度之倒數為縱座標。 使用影像分析: 將滑車在軌道上之運動影像以攝影裝置攝錄下來，以logger pro軟體分析，數據經分析fitting所得值與理論值比較。 使用超音波測距: 將滑車對正超音波感測器，測量滑車在軌道上之運動情形。 (須用到電腦)

4 實驗: 光電計時器的使用 熟悉光電計時器的原理與各個設定與顯示 多功能光電計時/紀錄器:
包含數支光電感應閘和信號連接線。具有下列八項測量功能： Timing I：一般遮光時程測量 Timing II：二次遮光間的時距測量 Acceleration：直線運動體單點瞬時速度測量及雙點間加速度值的計算 Collision：碰撞實驗中，兩運動體碰撞前後的瞬時速度測量 Gravity Acceleration：自由落體下落至不同高度的時間測量 Cycle：單擺計次、累計時間、單次擺動週期記錄及顯示 Count：計數遮光次數 Signal Source：信號產生器，可供其它實驗使用。

5 請詳細描述八項測量的下列各事項： 請詳細說明測量每一項物理量的工作原理 詳細描述自行設計的實驗內容和步驟 記錄測量到的實驗數據和結果 探討哪些因素會影響測量所得之數據的精確度，並說明每一影響因素的權重。 探討如何提高測量數據的準確度。 請助教或講師驗證您是否已確實孰知光電計時器的使用和八項測量功能。若經確認已熟知此儀器的話，請助教在您的實驗記錄單上簽名。

6 光電閘加速度測量設定: 1.將凹型擋板置於滑車上,二光電閘架設軌道上，於滑車與滑輪之間，光電閘之發射器(光源)與接收器的連線需垂直凹型擋板並可通過凹型擋板的凹槽。 2.將兩光電閘接線接於光電計時器後方接孔；按Function功能鍵，選擇Acceleration加速度運動，按Changover鍵選擇時間(s)或速度單位(cm/s)。 (長按Changover鍵可選擇檔板寬度，當顯示值至欲設定寬度(3cm)時，將按鍵放開，即設定完成。) 3.計時器會顯示擋光片經過2光電閘時依序測得速度及加速度。 4.可按Function功能鍵做歸零，再重新進行測量數據。 因採購之檔板間距為2.9cm，可視取得數據誤差值決定是否修正 Acceleration (a 加速度): 時間/速度 (須設定檔板寬度) 歸零: 未遮光(亮)時按function 歸零: 1 測第一次光閘(4光閘其一)接收光(暗亮暗)的時間差/速度。 2 測第二次光閘(4光閘其一)接收光(暗亮暗)的時間差/速度。 1-2 1光電閘與2光電閘的時間差/加速度 ---可測至四次。

7 光電閘加速度測量測定方式: P1 P2 光偵測器 測得時間 若有設擋板寬度， 可切換以速度表示 至多可接4光電閘 t1 t2 Dt 擋板寬度
v1 v2 a 顯示數據: 1 第一個光電管(P1) ××××× 第一個光電管測量值(t1或v1) 2 第二個光電管(P2) ××××× 第二個光電管測量值(t2或v2) 1～2 第一至第二光電管 ××××× 第一至第二光電管測量(Dt或a)

8 利用超音波測距 安裝Arduino 驅動程式 安裝CoolTerm 軟體，利用此軟體可讀入序列埠的數據
---以開放板Arduino UNO板+超音波(SR04)編程測試 (程式已寫入，不用編程) 安裝Arduino 驅動程式 安裝CoolTerm 軟體，利用此軟體可讀入序列埠的數據 將測試盒接上筆電，開啟CoolTerm軟體

9 CoolTerm 設定方式 開啟CoolTerm 出現如右圖的畫面 MAC在Port 欄中選擇wchusbserialxxxx
Windows 使用者應該是出現com3 或是 com4之類的 如果沒有出現的話，請選擇下方Re-Scan Serial Ports 在電子通信領域，鮑（Baud）即調製速率，指的是有效數據信號調製載波的速率，即單位時間內載波調製狀態變化的次數。「鮑」（Baud）本身已是速率，所以不需要寫成 Baud Rate（Rate 是贅字） 典型的「鮑率」是300, 1200, 2400, 9600, 19200, 等， Baud rate 設為9600 選擇OK 即完成設定

10 連線 請按下工具列中的Connect 鈕 即可完成連接，開始接收資料 超音波測距器的應用 物理實驗： 基本度量 簡諧運動 單擺運動
…所有與長度有關的測量幾乎都用得到

11 補充教材:超音波測距器作動原理 先從程式中送給trig pin一個10 us 脈衝訊號
模組會發射8個40 kHz的聲波出去，然後量測訊號是否回來。 如果echo pin有收到反彈的訊息，會發出一個高電位訊號，那Echo會送出超音波來回的時間 使用者再自己計算音速換算距離。 也就是「距離(cm) = 時間(us) / 2(來回) /29.4 (m/s轉換cm/us)」。 音速c= T(其中T為攝氏溫標)。If T=15°C，音速=340m/s，1/340=29.41~29.4 要注意的是量測物體最好大於0.5公尺平 方，而trigger時間最好大於60ms，以免 trig與echo干擾。