氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)---探究牛二

1、二、探究牛頓第二定律【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 利用氣墊導(dǎo)軌測定速度和加速度。2 驗(yàn)證牛頓第二定律。3 了解氣墊導(dǎo)軌的構(gòu)造，掌握它的調(diào)平方法。【儀器簡介】氣墊導(dǎo)軌導(dǎo)軌表面小孔噴出的壓縮空氣，使導(dǎo)軌表面與滑行器之間形成一層很薄的“氣墊”將滑行器浮起，使運(yùn)動時的接觸摩擦阻力大為減小，從而可以進(jìn)行一些較為精確的定量研究。工業(yè)上利用氣墊技術(shù)，還可以減少機(jī)械或器件的磨損，延長使用壽命，提高速度和機(jī)械效率，所以，氣墊技術(shù)在機(jī)械、紡織、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，如氣墊船、空氣軸承、氣墊輸送線等。1滑行器氣墊導(dǎo)軌是一種力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，它主要由空腔導(dǎo)軌、滑行器、氣源和光電門裝置組成，如圖1所示。導(dǎo)軌是用一根平直、光滑的三

2、角形鋁合金制成，固定在一根剛性較強(qiáng)的鋼梁上。導(dǎo)軌長為1.5m，軌面上均勻分布著孔徑為0.6mm的兩排噴氣小孔，導(dǎo)軌一端封死，另一端裝有進(jìn)氣嘴。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)管道從進(jìn)氣嘴進(jìn)入腔體后，就從小氣孔噴出，托起滑行器，滑行器漂浮的高度，視氣流大小及滑行器重量而定。為了避免碰傷，導(dǎo)軌兩端及滑軌上都裝有彈射器。在導(dǎo)軌上裝有調(diào)節(jié)水平用的地腳螺釘。雙腳端的螺釘用來調(diào)節(jié)軌面兩側(cè)線高度，單腳端螺釘用來調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平?；蛘邔⒉煌穸鹊膲|塊放在導(dǎo)軌底腳螺釘下，以得到不同的斜度。導(dǎo)軌一側(cè)固定有毫米刻度的米尺，便于定位光電門位置?；喓晚来a用于對滑行器施加外力。滑行器是導(dǎo)軌上的運(yùn)動物體，長度為156mm，也是用鋁合金制成，其下

3、表面與導(dǎo)軌的兩個側(cè)面精密吻合，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，滑行器上可以加裝擋光片、加重塊、尼龍扣、彈射器等附件。圖3 光電門  氣源為專用氣泵，用氣管與導(dǎo)軌連接。 光電計時裝置由光電門毫秒計組成。J0201-CHJ存儲式數(shù)字毫秒計采用單片微處理器，程序化控制，可用于各種計時、計數(shù)、測速度等，并具備多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記憶存儲功能。儀器面板如圖2所示。1) 數(shù)據(jù)顯示窗口：顯示測量數(shù)據(jù)、光電門故障信息等。2）單位顯示：s、ms、cm/s、cm/s2或不顯示（計數(shù)時不顯示單位）。3）功能選擇指示：C計數(shù) a加速度 S1遮光計時 g重力加速度 S2間隔計時 Col碰撞 T振子周期 Sgl時標(biāo)4）【功能】鍵：功能

4、選擇。5）【清零】鍵：清除所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。6）【停止】鍵：停止測量，進(jìn)入循環(huán)顯示數(shù)據(jù)或鎖存顯示數(shù)據(jù)。7）【6V/同步】：與J04217自由落體試驗(yàn)儀或J04227斜槽軌道配合使用。1號光電門輸入插座、2號光電門輸入插座及電源開關(guān)在儀器的后板上?！緦?shí)驗(yàn)原理】 1速度的測定物體作直線運(yùn)動時，平均速度為，時間間隔或越小時，平均速度越接近某點(diǎn)的實(shí)際速度，取極限就得到某點(diǎn)的瞬時速度。在實(shí)驗(yàn)中直接用定義式來測量某點(diǎn)的瞬時速度是不可能的，因?yàn)楫?dāng)趨向零時也同時趨向零，在測量上有具體困難。但是在一定誤差范圍內(nèi)，我們?nèi)钥扇∫缓苄〉?，及其相?yīng)的，用其平均速度來近似的代替瞬時速度。被研究的物體（滑行器）在氣墊導(dǎo)軌上作“

5、無磨察阻力”的運(yùn)動，滑行器上裝有一個一定寬度的擋光片，當(dāng)滑行器經(jīng)過光電門時，擋光片前沿?fù)豕猓嫊r儀開始計時；擋光片后沿?fù)豕鈺r，計時立即停止。計時器上顯示出兩次擋光所間隔的時間；則是擋光片兩片同測邊沿之間的寬度。如圖1所示。由于較小，相應(yīng)的也較小。故可將與的比值看作是滑行器經(jīng)過光電門所在點(diǎn)（以指針為準(zhǔn)）的瞬時速度。 2加速度的測定當(dāng)滑行器在水平方向上受一恒力作用時，滑行器將作勻加速直線運(yùn)動。其加速度由公式，即 （1）得到。根據(jù)上述測量速度的方法，只要測出滑行器通過第一個光電門的初速度，及第二個光電門的末速度，從光電門的指針可以讀出和，這樣根據(jù)上式就可算得滑行器的加速度。3驗(yàn)證牛頓第二定律 牛頓第

6、二定律是動力學(xué)的基本定律。其內(nèi)容是物體受外力作用時，物體獲得的加速度的大小與合外力的大小成正比，并與物體的質(zhì)量成反比。圖2中，滑行器質(zhì)量為，砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量，細(xì)線張力為T，則有 （2）合外力 令M=，則 F=M (3)由推得的公式可以看出：F越大，加速度也越大，且為一常量；在恒力（F保持不變）作用下，M大的物體，對應(yīng)的加速度小，反之亦然。由此可以驗(yàn)證牛頓第二定律。其中加速度由公式（1）求得?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1調(diào)平氣墊導(dǎo)軌。應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌的縱橫兩個方向都調(diào)平。橫向調(diào)平時細(xì)心調(diào)節(jié)雙腳螺旋B中的一個螺旋的升降，直到滑行器與導(dǎo)軌兩測的間隙相等為止（已由實(shí)驗(yàn)室調(diào)好）?？v向調(diào)平時，調(diào)節(jié)單腳螺旋A的升降，先粗

7、調(diào)，后細(xì)調(diào)。（1）粗調(diào)：打開氣源，使滑行器浮起，將滑行器先后放在導(dǎo)軌左端和右端，由靜止釋放，觀察其是否向左右自行滑動，若向某個方向滑動，就表明導(dǎo)軌未調(diào)平，該方向低。細(xì)心調(diào)節(jié)單腳螺旋的升降，直到滑行器基本上可以靜止在導(dǎo)軌上任意位置為止。（2）細(xì)調(diào)：細(xì)調(diào)采用單向動調(diào)法，接通J0201CHJ存儲式數(shù)字毫秒計的電源，選擇功能為間隔計時，將兩光電門置于導(dǎo)軌左右兩端距端點(diǎn)約30.00處，然后，將滑行器拉止左端，用手向右輕推，使滑行器以中等速度（30-60/s，時間顯示為117.00-233.0ms）滑行，數(shù)字毫秒計測量出x經(jīng)過光電門1和光電門2所用的時間t1和t2，反復(fù)細(xì)心調(diào)節(jié)單腳螺旋A，使t1=t2。由

8、于氣墊的粘滯力和空氣阻力等影響，滑行器通過兩光電門的時間很難完全相等。如果2 這時，就可以認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)處于水平狀態(tài)。2測定速度（1）實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。（2）在導(dǎo)軌低端裝置彈射器，用墊高塊將導(dǎo)軌擺成傾斜狀態(tài)，起始檔板固定在最高端處。（3）將光電門G1置于導(dǎo)軌上70cm處（另一光電門不用），將計時器功能選擇在“間隔計時”檔上。（4）用10cm的擋光片固定在滑行器上，讓滑行器緊靠起始檔板從高端自由下滑，通過光電門G1后，計時器就會測出滑行器通過G1時的時間t，按動計時器停止鍵，計時器就顯示出t，可計算出瞬時速度的數(shù)值。 （5）依次更換5cm、3cm、1cm的擋光片，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，計算2、3、4，根

9、據(jù)瞬時速度的概念，擋光片最短時，所測的平均速度可以近似認(rèn)為該處的瞬時速度。 3測量加速度（1）實(shí)驗(yàn)裝置見圖4 （2）在導(dǎo)軌低端裝置彈射器，用墊高塊將導(dǎo)軌擺成傾斜狀態(tài)，起始檔板固定在最高端處。（3）將光電門放置在導(dǎo)軌的某兩個位置上(放置30cm、90cm處)，計時器功能選擇在測加速度“”擋，用1cm的擋光片固定在滑行器上。（4）滑行器緊靠起始檔板，從高端自由下滑，通過兩個光電門，計時器就會自動測出并顯示出滑行器通過上擋光片光電門G1、G2處的時間 t1、t3，從G1滑行到G2處所用的時間T。（5）按所測出的時間數(shù)據(jù)，分別計算通過G1和G2的瞬時速度，和物體運(yùn)動加速度的值。（6）將光電門G1，G2

10、分別置于30cm，80cm處和30cm、90cm處分別重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算值，可以驗(yàn)證物體做勻加速直線運(yùn)動加速度是恒量。 4驗(yàn)證牛頓第二定律物體質(zhì)量M不變時，驗(yàn)證加速度與合外力F的關(guān)系。 （1）實(shí)驗(yàn)裝置見圖5。（2）首先在氣軌的端部小心安裝好滑輪，使其轉(zhuǎn)動自如，細(xì)心調(diào)整好導(dǎo)軌的水平。（3）在滑行器上裝上1cm的擋光片，兩端各裝上掛鉤，將拴在砝碼桶上的細(xì)線跨過滑輪并通過堵板上的方孔掛在滑行器的掛鉤上。 （4）將起始檔板固定在導(dǎo)軌高端適當(dāng)位置上，并將兩個光電門置于導(dǎo)軌的的相應(yīng)位置上（如30cm和80cm處），注意當(dāng)砝碼桶著地前，滑行器要能通過靠近滑輪一側(cè)的光電門。 （5）計時器的功能選

11、擇在檔，在砝碼桶內(nèi)加上一定質(zhì)量5g的砝碼，并在滑行器上加兩個砝碼2m，導(dǎo)軌通氣，讓滑行器從起始檔板處開始運(yùn)動，通過兩個光電門，計時器會自動測出并直接顯示出加速度的數(shù)據(jù)。（6）再將滑行器上兩個砝碼分兩次從滑行器移至砝碼桶中，重復(fù)上述步驟。驗(yàn)證物體質(zhì)量M不變時，加速度的大小與合外力F的大小成正比。注意每次實(shí)驗(yàn)滑行器要緊靠起始板輕輕開始運(yùn)動。在合外力F不變時，驗(yàn)證加速度a與物體質(zhì)量M的關(guān)系。（1）實(shí)驗(yàn)步驟同上實(shí)驗(yàn)中的（1）、（2）、（3）。（2）計時器的功能選擇“”檔，在砝碼桶內(nèi)加上一定質(zhì)量的砝碼（如3×5g），導(dǎo)軌通氣，讓滑行器從起始檔板開始運(yùn)動，通過兩個光電門，計時器會自動測出并顯示加速度數(shù)值。（3）再將砝碼桶中的兩個砝碼分兩次從砝碼桶中移至滑行器上，重復(fù)上述步驟。驗(yàn)證在合外力F不變時，加速度的大小與物體質(zhì)量M的大小成反比?！緮?shù)據(jù)記錄】1.測量加速度數(shù)據(jù)表次數(shù)S1=50.00S2=60.00S3=70.001/s2/s/s