實驗四氣軌上測量滑塊的速度和加速度

實驗四

氣軌上測量滑塊的速度和加速度

【實驗目的】1.掌握氣墊導軌上測量滑塊的速度和加速度的一種方法。2.學習使用氣墊導軌和數字毫秒計?！緦嶒瀮x器】氣墊導軌，滑塊，墊塊，遮光片，光電門，數字毫秒計，氣源，螺旋測微器，游標卡尺。

1．導軌:導軌是由長1.5---2.0m的三角形中空鋁型材制成．軌面上兩側各有兩排直徑為0.4---0.6mm的噴氣孔．導軌一端裝有進氣嘴，當壓縮空氣進入管腔后，就從小孔噴出，在軌面與軌上滑塊之間形成很薄的空氣膜(即所謂氣墊)，將滑塊從導軌面上托起(約0.15mm)，從而把滑塊與導軌之間接觸的滑動摩擦變成為空氣層之間的氣體內摩擦，極大地減小了摩擦力的影響．導軌兩端有緩沖彈簧，一端安有滑輪．整個導軌安在鋼梁上，其下有三個用以調節(jié)導軌水平的底腳螺絲。2．滑塊

用角形鋁材制成，其兩側內表面和導軌面精密吻合．滑塊兩端裝有緩沖器，其上面可安置擋光片或附加重物．3．光電門

它由聚光燈泡和光電管組成．光電管與數字毫秒計相接．當有光照到光電管上時，光電管電路導通，這時如擋住光路，光電管為斷路，通過數字毫秒計門控電路，輸出一脈沖使數字毫秒計開始或停止計時．滑塊上的擋光片在光電門中通過一次，數字毫秒計將顯示出從開始計時到停止計時相應的時間t．如相應的擋光片寬度為d，則可得出滑塊通過光電門的平均速度：4．擋光片

由金屬片制成，呈U字形，d是擋光片第一前沿到第二前沿的距離。使用d值小的擋光片可以使測出的平均速度接近瞬時速度，即減小系統(tǒng)誤差．但是d小時，相應的t也將變小，這時t的相對誤差將變大，所以測量速度時，不宜于用d很小的擋光片．至于平均速度和瞬時速度的差異可以另行設法補正．5．使用氣軌的注意事項(1)防止碰傷軌面和滑塊：滑塊與軌面之間只有不到0.2mm的間隙，如果軌面和滑塊內表面被碰傷或變形，則可能出現接觸摩擦使阻力顯著增大．

(2)檢查軌面噴氣孔是否堵塞：氣軌供氣后，用薄的小紙條逐一檢查氣孔，發(fā)現堵塞要用細鋼絲通一下．(3)用紗布沾少許酒精擦拭軌面及滑塊內表面．(4)氣軌未供氣時，不要在軌上推動滑塊．存儲式數字毫秒計

存儲式數字毫秒計具有存儲功能，時基精度高（微秒級）的測量時間間隔的數字計量儀器?？勺鲇嫊r、計數等使用?？膳cJ2125型氣墊導軌、J0471型自由落體儀、J2127型斜槽軌道等配合使用，來測量速度、加速度、重力加速度、周期等物理量和碰撞等實驗，并直接顯示實驗的速度和加速度的值。一、面板說明1.數據顯示窗口：顯示測量數據、光電門故障信息。2.單位顯示：[s]、[ms]、[cm/s]、[cm/s2]或不顯示（計數時不顯示單位）3.功能選擇指示：4．[功能]鍵：功能選擇5．[清零]鍵：清除所有實驗數據6．[停止]鍵：停止測量，進入循環(huán)顯示數據或鎖存顯示數據。7．[6V/同步]鍵：與J04217型自由落體實驗儀或J2127型斜槽軌道配合使用。CS1S2TagColSgl計數

遮光時間

間隔計時

振子周期

加速度

重力加速度

碰撞

時標

二、操作使用說明1．實驗準備工作，光電門和顯示器件的自檢。1.1實驗準備工作：（1）將兩個光電門插頭插入1號、2號光電門插座；（2）接上220V交流電源，打開電源開關；（3）開機后自動進入自檢狀態(tài)；依次按[功能]鍵，選擇需要的功能，循環(huán)順序如下：1.2光電門和顯示器件的自檢開機或按[功能]鍵選擇自檢功能，都將進入自檢狀態(tài)。當光電門無故障時，屏幕循環(huán)顯示各顯示器件，當光電門發(fā)生故障（如：接觸不良、損壞、遮擋光電門輸入電路出現故障等）時，屏幕將閃爍著該光電門的號碼，不做循環(huán)顯示工作。這時，必須先排除故障，程序才能繼續(xù)運行?！癝1”——遮光計時用擋光片對任意一個光電門一次遮光，屏幕依次顯示出遮光次數和遮光時間?？蛇B續(xù)作1~255次實驗，但只存儲前10個數據。按[停止]鍵，立即進入循環(huán)顯示存儲的數據狀態(tài)。按[清零]鍵，清除所有實驗數據，又可重新做實驗?！癝2”——間隔計時用擋光框對任意一個光電門依次擋光，屏幕依次顯示出擋光間隔的次數和擋光的時間?？蛇B續(xù)做1~255次實驗，只存儲前10個數據。按[停止]鍵，先依次顯示測量的間隔時間數據，再依次顯示與之對應的速度數據，并反復循環(huán)?！癮”——測加速度配合J2125型系列氣墊導軌、擋光框和兩個光電門作運動物體的加速度實驗。運動體上的擋光框通過兩個光電門之后自動進入循環(huán)顯示：1：擋光框通過第一個光電門（不是指1號光電門，是指實驗的順序）的時間間隔。2：擋光框從第一個光電門運動至第二個光電門的間隔時間。3：擋光框通過第二個光電門的時間間隔。V1：擋光框通過第一個光電門的速度；V2：擋光框通過第二個光電門的速度；a

：擋光框通過第一個光電門至第二個光電門之間的運動加速度。并反復循環(huán)顯示上述6個數據。按[清零]鍵，清除所有實驗數據，又可重新做實驗?！緦嶒炘怼?、測量滑塊的速度物體作直線運動時，如果在某時刻到的時間間隔內，通過的位移為，則物體在該的時間間隔內的平均速度為該時刻的瞬時速度為顯然，越小，就越接近于瞬時速度。在實驗中要測量物體在某時刻(或某位置)的瞬時速度是無法實現的，通常是選取較小的，以保證很小，在一定的誤差范圍內用平均速度代替瞬時速度。2、測量滑塊的加速度

如圖所示，物體由靜止出發(fā)沿斜面作下滑運動，在摩擦阻力忽略不計的情況下，物體作勻加速直線運動。則有

兩式相減，得：

即

可見，只要測量出物體在A點和B點的速度及AB間的距離，就可以算出物體的加速度。3、測量重力加速度

此外，根據牛頓第二定律可得：

當很小時，有，

則

有(4-2)

由上式可見，只要測量出L和h以及滑塊在傾斜氣墊導軌上的加速度，就可以算出當地的物體加速度g值。

【實驗內容】一、檢查數字毫秒計的工作情況1.首先掌握數字毫秒計面板上各開關、按鈕和插座的用途，正確連接好數字毫秒計和光電門之間的連線。2.打開儀器電源開關，電源指示燈和數碼管應全部點亮。選擇功能置于“”。3.用手指遮擋任意一只光電二極管，毫秒計開始不斷計數，再遮擋一下，計數停止。4.按下“清零”按鈕，顯示數字復零，表示儀器工作正常。二、調節(jié)氣墊導軌水平1.粗調：調節(jié)導軌下的三只底腳螺絲，使導軌大致水平。2.靜態(tài)調平：將滑塊放在導軌上，接通氣源，這時滑塊在導軌上自由運動，調節(jié)導軌的單腳底腳螺絲，使滑塊基本靜止。3.動態(tài)調平：將兩個光電門相距60cm左右。在滑塊上安放開槽遮光片，選擇“

s2”。輕輕推動滑塊，分別讀出遮光片通過兩個光電門的時間和，反復調節(jié)單腳螺絲，使它們相差很小，認為氣墊導軌基本水平。三、測量滑塊的速度1.在導軌的單腳螺絲下墊放一厚度為1cm的墊塊。2.用游標卡尺測量U型遮光片的寬度，如圖所示。（或)。3.使滑塊從導軌墊高的一端某一固定位置由靜止開始下滑，記下遮光片通過第二光電門的時間，重復五次，求出，算。四、測量滑塊的加速度1.用米尺測量兩光電門之間的距離。2.將滑塊從導軌墊高端滑下，分別記下遮光片經過兩光電門的時間和，計算、和a。3.重復上述步驟2測量5次，將數據填入表4-2中，并計算出。五、測量重力加速度1.按圖，用米尺測量單腳底腳螺絲到另外兩個底腳螺絲連線間的距離L，用螺旋測微器測量墊塊的厚度h。將數據填入表4-3中。2.按式（4-2）計算重力加速度g值，計算不確定度?！緶y量數據】次數12345平均表4-1表4-2次數12345平均表4-3次數12345平均L/cmh/mm【注意事項】1.