力學(xué)類設(shè)計(jì)試驗(yàn)講義-深圳大學(xué)物理試驗(yàn)教學(xué)示范中心

#動(dòng)力導(dǎo)軌平臺(tái)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)講義（草）編寫：封玲物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心

動(dòng)力導(dǎo)軌平臺(tái)系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在工程等實(shí)際問(wèn)題中，所接觸到的宏觀物體的運(yùn)動(dòng)速度都遠(yuǎn)小于光速，經(jīng)典動(dòng)力學(xué)仍是解決實(shí)際工程問(wèn)題的基礎(chǔ)。動(dòng)力學(xué)是理論力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它主要研究作用于物體的力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的宏觀物體。動(dòng)力學(xué)以牛頓第二定律為核心，這個(gè)定律指出了力、加速度、質(zhì)量三者間的關(guān)系。我們?cè)趧?dòng)力導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行碰撞現(xiàn)象的研究、簡(jiǎn)諧振動(dòng)的研究以及進(jìn)行加速度、物體質(zhì)量及導(dǎo)軌摩擦力等物理量的測(cè)量。平臺(tái)儀器動(dòng)力導(dǎo)軌裝置 （ ）:導(dǎo)軌裝置易于安裝，可以精確調(diào)節(jié)到最小摩擦力，以適應(yīng)做直線運(yùn)動(dòng)系列動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。裝置包括：,3、2.2m鋁制導(dǎo)軌，1、彈射小車 92、碰撞小車4、水平調(diào)節(jié)腳架 2個(gè)，5、可調(diào)擋板 2動(dòng)力導(dǎo)軌裝置 （ ）:導(dǎo)軌裝置易于安裝，可以精確調(diào)節(jié)到最小摩擦力，以適應(yīng)做直線運(yùn)動(dòng)系列動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。裝置包括：,3、2.2m鋁制導(dǎo)軌，1、彈射小車 92、碰撞小車4、水平調(diào)節(jié)腳架 2個(gè)，5、可調(diào)擋板 2個(gè)，6、帶夾固定滑輪1個(gè)，7、磁鐵緩沖器2個(gè)及其存儲(chǔ)管，8、諧振彈簧3個(gè)，9、摩擦塊1個(gè)，10、用于固定支撐棒的轉(zhuǎn)軸桿夾1個(gè)，11、12平臺(tái)儀器中英文說(shuō)明及講義，13、500g金屬質(zhì)量口個(gè)、 14、量角器1個(gè)。力傳感器：5力傳3感器7實(shí)際）上就是電阻應(yīng)變片傳感器，該傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成，彈性敏感元件在受力產(chǎn)生形變時(shí)，粘附在其表面的電阻應(yīng)變片的電阻阻值也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)其阻值變化進(jìn)而確定被測(cè)量的大小。該型號(hào)的力傳感器輸出電壓阻值也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)其阻值變化進(jìn)而確定被測(cè)量的大小。該型號(hào)的力傳感器輸出電壓范圍-8V~+8V,測(cè)量范圍-50N~+50范圍-8V~+8V,測(cè)量范圍-50N~+50N,即-50N的力能產(chǎn)生-8V的電壓輸出，+50N的力能產(chǎn)生+8V的電壓輸出，0電壓則表示受力為0（一般將推力作為正值，拉力作為負(fù)值）。力傳感器安裝支架：5力傳感器安裝支架：5用于4支撐5安裝）力傳感器，便于導(dǎo)軌上各種條件下的受力測(cè)量。運(yùn)動(dòng)傳感器）7測(cè)量。運(yùn)動(dòng)傳感器）7：依4據(jù)超2聲波脈沖遇到目標(biāo)后聲波反彈，探測(cè)其返回聲波的原理，與PASCO計(jì)算機(jī)接口配套使用，原理，與PASCO計(jì)算機(jī)接口配套使用，可計(jì)算出目標(biāo)的距離，根據(jù)距離與時(shí)間的測(cè)量，程序還可計(jì)算出目標(biāo)的速度和加速度。光電門( 4：9電門也稱為光電開(kāi)關(guān)， 利用狹窄的紅外光束和快速的下降時(shí)間為計(jì)時(shí)提供精確的信號(hào)。 當(dāng)光門的光被擋住時(shí)， 與光門相連的數(shù)字通道為 0電壓狀態(tài)；光門透光時(shí)，與光門相連的數(shù)字通道為 5V電壓狀態(tài)。光門傳感器相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字毫秒計(jì)，口通過(guò)測(cè)量固定擋光寬度( S)和擋光時(shí)間(t),從而可以得到該物體經(jīng)過(guò)光門時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度(v—S/1)。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器( )：它的核心是一個(gè)光學(xué)編碼器，每轉(zhuǎn)口 360°)最多可采集 1440個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理軟件可以設(shè)置每轉(zhuǎn)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)， 有360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和1440個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(即分辨率為 1°或360°)兩種設(shè)置，旋轉(zhuǎn)的方向同樣可被感知。轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器最常用于測(cè)量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)動(dòng)位置。加速度傳感器 ( )58PASCO的計(jì)算機(jī)接口及其相關(guān)數(shù)據(jù)接口與處理軟件，可以測(cè)量 5倍于重力加速度的范圍，根據(jù)加速度的方向，該傳感器的輸出分正和負(fù)，可在+5g到-5g范圍內(nèi)變化。其精度為 0.01g□g=□□□□□, 9.8m/s2)。電子天平( ):電子天平是外力作用于力傳感器的信號(hào)經(jīng)電子電路處理，以數(shù)字形式顯示物體質(zhì)量。該型號(hào)電子天平稱量范圍為 0—200g,分度值為 0.1mg。配件：砝碼若干、掛鉤 2個(gè)。設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目題目物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律研究設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案研究物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題： 加速度與拉力關(guān)系或加速度與質(zhì)量關(guān)系、斜面上物體運(yùn)動(dòng)加速度與傾角的關(guān)系、力的合成與分解、超重與失重等。設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)牛頓第二定律的理解,在導(dǎo)軌上研究加速度與拉力的關(guān)系,或加速度與質(zhì)量關(guān)系, ；2、使用多種測(cè)量方法測(cè)量斜面下滑物體的加速度,并討論斜面傾角與加速度的關(guān)系；3、根據(jù)共點(diǎn)力的合成符合力的平行四邊形定則,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究力的合成與分解；4、利用平臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),觀察超重與失重現(xiàn)象,探究產(chǎn)生超重與失重的原因。題目彈簧勁度系數(shù)測(cè)量設(shè)計(jì)內(nèi)容：測(cè)量單根彈簧的勁度系數(shù)。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)方案與裝置采用計(jì)算機(jī)實(shí)測(cè)技術(shù)測(cè)量單根彈簧的勁度系數(shù)。提示：實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用不同力拉伸彈簧到不同的長(zhǎng)度來(lái)確定，作出拉力 F與拉伸長(zhǎng)度 L的F—L

曲線，直線的斜率就等于勁度系數(shù)K。曲線，直線的斜率就等于勁度系數(shù)K。拉力測(cè)量可使用力傳感器，彈簧拉伸長(zhǎng)度測(cè)量可使用轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器。拓展研究：一般采用靜態(tài)法對(duì)彈簧的勁度系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，即某一拉力下測(cè)其對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量。若使用動(dòng)態(tài)的方法， 拉伸量的變化速度對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響呢； 測(cè)量各類耦合彈簧系統(tǒng)的合成勁度系數(shù)。如測(cè)量串聯(lián)彈簧或并聯(lián)彈簧的勁度系數(shù) K,并與單根彈簧的勁度系數(shù) k相比較，口找K與k的關(guān)系。參考文獻(xiàn)：題目碰撞現(xiàn)象研究設(shè)計(jì)內(nèi)容：碰撞有完全彈性碰撞、 完全非彈性碰撞和非完全彈性碰撞之分， 設(shè)計(jì)方案對(duì)小車各類碰撞現(xiàn)象進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)要求：1、測(cè)量小車碰撞過(guò)程中的動(dòng)量與動(dòng)能的情況，分析各類碰撞動(dòng)量變化與動(dòng)能變化的區(qū)別；2、對(duì)小車碰撞前速度與該速度下小車的碰撞受力大小的進(jìn)行測(cè)量，試討論小車碰撞前的速度與碰撞時(shí)最大受力的關(guān)系；3、試討論哪些因素造成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)間的誤差，并設(shè)計(jì)方案作定量測(cè)量。拓展研究：測(cè)試研究材料的緩沖性能。推薦研究范圍：首先提出材料緩沖性能的物理量表征， 然后設(shè)計(jì)方案與步驟對(duì)表征物理量進(jìn)行測(cè)量。 同一材料，不同厚度，其緩沖性能的變化研究；同一材料，不同碰撞面積，其緩沖性能的變化研究；同一材料，不同碰撞速度，其緩沖性能的變化研究；相同條件下，不同材料緩沖性能的情況研究。參考文獻(xiàn)：NO.1，NO.1，199528（1），2008.1張瑞，石現(xiàn)領(lǐng)，張旺華，鐘菊花，測(cè)定材料的緩沖防震性能，物理實(shí)驗(yàn)，題目摩擦力的研究設(shè)計(jì)內(nèi)容：摩擦是怎樣引起的？?jī)蓚€(gè)接觸面在滑動(dòng)時(shí)其界面發(fā)生了什么情況？早期的科學(xué)文口記載過(guò)很多這方面的研究。十五世紀(jì)中葉的達(dá)?芬奇不僅得出兩條基本的摩擦定律，還得出了定量結(jié)果，即“任何摩擦物體的摩擦阻力都等于該物體重量的四分之一” ，即摩擦系數(shù)為四分之一。 “摩擦學(xué)”就是研究這一領(lǐng)域的專門科學(xué)，其定義是“研究作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相互作用表面及有關(guān)實(shí)踐的一門科學(xué)技術(shù)。 ”設(shè)計(jì)要求：1、設(shè)計(jì)方案研究摩擦力與材料表面的關(guān)系，與材料重量的關(guān)系，與接觸面的面積（或與材料的形狀）的關(guān)系*題目瞬時(shí)力的研究設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)各種瞬時(shí)力進(jìn)行實(shí)測(cè)并觀察分析其變化過(guò)程。 例如對(duì)摩擦力、對(duì)碰撞過(guò)程中的受力、以及對(duì)材料繃斷前后拉力變化等瞬時(shí)力的觀察、實(shí)測(cè)與分析。設(shè)計(jì)要求：1、摩擦力有靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力之分，測(cè)量摩擦力由零到最大靜摩擦力，然后開(kāi)始滑動(dòng)后的滑動(dòng)摩擦力的變化過(guò)程； 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究影響最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的因素， 如接觸面性質(zhì)、正壓力等。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意保持接觸面摩擦力的分布均勻。2、實(shí)測(cè)碰撞瞬間沖力的變化，分析各類材料碰撞沖力的變化。3、實(shí)測(cè)繩線等材料繃斷前后拉力變化，分析各類材料延伸力的變化。實(shí)驗(yàn)中注意所用儀器設(shè)備的受力范圍，避免損壞設(shè)備。參考文獻(xiàn)：鄒方云，用力傳感器對(duì)摩擦力進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究， 《教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)》，2007，23（1）設(shè)計(jì)內(nèi)容重力加速度測(cè)量重力加速度的測(cè)量方法很多，如落球法、 單擺法，或在導(dǎo)軌上由功能原理、力學(xué)方程等等方法進(jìn)行重力加速度的測(cè)量， 請(qǐng)大家充分發(fā)揮各自的想象力， 設(shè)計(jì)一種方法進(jìn)行重力加速度的測(cè)量。也可以設(shè)計(jì) 2—3種方法，進(jìn)行多種測(cè)量方法的比較。設(shè)計(jì)要求：查找資料得到本地重力加速度標(biāo)準(zhǔn)值；采用一種方法設(shè)計(jì)完整測(cè)量方案和具體測(cè)量步驟；記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，處理后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)誤差；若采用多種方法測(cè)量，則對(duì)各方法進(jìn)行比較分析。題目物質(zhì)密度的測(cè)量設(shè)計(jì)內(nèi)容：我們使用過(guò)物理天平進(jìn)行過(guò)不溶于水的固體密度的測(cè)量， 本實(shí)驗(yàn)中請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)方案使用電子天平對(duì)固體 （不溶于水） 或液體的密度進(jìn)行精確測(cè)量。 電子天平的精度與穩(wěn)定性都優(yōu)于物理天平，但電子天平的構(gòu)造不同于物理天平， 它不是雙盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)天平， 沒(méi)有伸向外邊的力臂和載物臺(tái)， 只有單盤下的力傳感器， 不能象物理天平那樣直接測(cè)量到待測(cè)物體在純凈水中所受浮力的大小，所以需要改進(jìn)一下傳統(tǒng)的流體靜力稱衡法來(lái)測(cè)量物體的密度。設(shè)計(jì)要求：1、參照電子天平說(shuō)明書(shū)，熟悉電