大学物理实验气垫导轨测重力加速度

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1、大大 学学 物物 理理设设 计计 性性 实实 验验实验题目实验题目 气垫导轨测重力加速度气垫导轨测重力加速度 辅导教师辅导教师 专业班级专业班级 姓姓 名名 学学 号号 气垫导轨测重力加速度气垫导轨测重力加速度【试验目的】: 1研究测重力加速度的方法； 2测量本地区的重力加速度。 【实验原理】： 当气轨水平放置时，自由漂浮的滑块所受的合外力为零，因此，滑块在气轨上 可以静止，或以一定的速度作匀速直线运动。在滑块上装一与滑块运动方向严 格平行、宽度为 L 的挡光板，当滑块经过设在某位置上的光电门时，挡光板将 遮住照在光敏管上的光束，因为挡光板宽度一定，遮光时间的长短与滑块通过 光电门的速度成反比

2、，测出挡光板的宽度 L 和遮光时间 t，则滑块通过光电 门的平均速度为： V=Lt 若挡板很小，则在挡光范围内滑块的速度变化也很小，故可以把平均速度看成 是滑块经过光电门的瞬时速度。挡板越小，则平均速度越准确地反映该位置上 滑块的瞬时速度，显然，如果滑块作匀速直线运动，则滑块通过设在气轨任何 位置的光电门时瞬时速度都相等，毫秒计上显示的时间相同，在此情形下，滑 块速度的测量值与挡板的大小无关。 若滑块在水平方向受一恒力作用，滑块将作匀加速直线运动，分别测出滑块通 过相距 S 的 2 个光电门的始末速度和 V1和 V2则滑块的加速度： a=(V2V1)t 气垫导轨与水平面的夹角为 ,则 g=as

3、in. 但是,滑块运动时的空气阻力忽略的话，实验结果的误差会相对大一些，所以这 里不能消除。不论滑块在气轨上从上向下，还是从下向上运动都有空气阻力 f， 且 f 不是常数， 。）（vf f 物体下滑物体下滑物体下滑时：）（下下1 maf - sin mg物体上滑时：）（上上2 ma f sin mg空气阻力是 f 和速度 v 的函数,当 v 比较小时,滑块通过第一,第二个光电门时的 阻力和速度有可能都不相同,若能控制上下的速度是分别相等的,就可使滑块上 下的阻力相等了。所以，(1)+(2)得）（）（）（下上下上下上4 hl 2aa sin 2aag3 aamsin 2mg这样关系式中没有 v

4、的量，从而消除了空气阻力对重力加速度的影响，使重力 速速度更加精确。 【实验仪器及其使用介绍】： 气垫导轨、数字毫秒计、滑块、游标卡尺、垫块。 一、气垫导轨 气垫导轨是一种现代化的力学实验仪器。实物如下图所示：它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔。空气再由导轨表面上的小孔中喷出， 在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器就浮在气垫层上， 与轨面脱离接触，因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动，极大地 减小了以 往在力学实验中由于摩擦力引起的误差。使实验结果接近理论值。配用数字计 时器或高压电火花计时器记录滑行器在气轨上运动的时间，可以对多种力学物 理量进行测定，对力学定律进行验证。

5、1、导轨 导轨是用三角形铝合金材料制成。可以调整其平直度，常把它用螺丝固定在工 字钢上，导轨长 1.502.20 m，两侧面非常平整，并且均匀分布着许多很小的 气孔。导轨一端封闭，上面装有定滑轮，另一端有进气嘴，通过皮管与气源相 连。当压缩空气进入导轨后，从小气孔喷出，在导轨和滑块之间形成空气层， 导轨和滑块两端都装有缓冲弹簧，使滑块可以往返运动。工字钢底部装有 3 个 底脚螺丝，用来调节导轨水平，或将垫块放在导轨底脚螺丝下，以得到不同的 斜度。2、滑块 滑块装置滑块是在导轨上运动的物体，一般用角铝制成，内表面经过细磨，能与导轨的 两侧面很好的吻合。当导轨中的压缩空气由小孔喷出时，垂直喷射到滑

6、块表面， 它们之间形成空气薄层，使滑块浮在导轨上（图 2.12-5）。根据实验要求，滑 块上可以安装挡光板、重物或砝码。滑块两端除可装缓冲弹簧外，也可装尼龙 搭扣及轻弹簧。 3、光电转换装置 光电转换装置光电转换装置又称光电门，由聚光灯泡和光敏管组成。聚光灯泡的电源由数字 毫秒计供给， 图 2.13-5 光电转换装置只要接通毫秒计电源开关，聚光灯泡即 可点亮，发出的光束正好照在光敏管上，光敏管与数字毫秒计的控制电路连接。 当光照被罩住时，光敏管电阻发生变化，从而产生一个电信号，触发毫秒计开 始计时；当光照恢复或光照又一次被遮住（视数字毫秒计的工作状态而定）， 又产生一个电信号，使毫秒计停止计时

7、。毫秒计显示出一次遮光或两次遮光之 间的时间间隔。 4、注意事项 气轨是一种高精度实验装置，导轨表面和滑块内表面有较高的光洁度，且配合 良好。因此，各组导轨和滑块只能配套使用，不得与其他组调换，实验中要严 防敲碰、划伤导轨和滑块（特别是滑块不能掉在地上）；不得在未通气时就将 滑块在导轨上滑动，以免擦伤表面；使用完毕，先将滑块取下再关气源；导轨 和滑块表面有污物或灰尘时，可用棉纱沾酒精擦拭干净；导轨表面气孔很小， 易被堵塞，影响滑块运动，通入压缩空气后要仔细检查，发现气孔堵塞，可用 小于气孔直径的细钢丝轻轻捅通；实验完毕，应将轨面擦净，用防尘罩盖好。 二、数字毫秒计 数字毫秒计时器简称为数字毫秒

8、计。 是一种能够准确测量横断时间间隔的及时毫秒计，测量的最短时间间隔可达到 百万分之一秒（0.1ms）。实验室通常配用的是 MUG-5C 型的数字毫秒计，它采 用 cmos 集成电路，利用石英晶体稳定的震荡特性产生 10kz 电脉冲，即每秒钟 内产生一万个脉冲，两个脉冲之间的间隔是一万分之一秒。我们把相邻脉冲的 时间间隔称之为时基。振荡经分频后，除保留 10kz 脉冲外，还得到 1kz 电脉冲。 由三者构成时基脉冲信号（即时基分别为 0.1ms，1ms 和 10ms）。用这些脉冲 在开始计数和停计数的时间间隔内推动计数器计数，即一个脉冲一个数。从停 止到计这一段时间计数器的所记的数由显示窗口显

9、示出来。由此得时间为数字 窗显示的数值乘以时基。实物如下图所示：其各建名称及其功能如下:控制方式选择开关：该开关上标有“机控”“光控”。机控是指用机械接触 来控制开关的通与开，从而控制毫秒机的及时与停机；光控是指用光信号控制 计时与停计。本实验用光控及时方法，即测量须将选择开关拔至光控一端。 计时方式选择开关：开关上标有“A”和“B”。选择开关置于 A 时，毫秒计的 计时时间显示的时光照被遮挡时开始计时，遮挡结束时计时停计。当选择开关 置于 B 时，毫秒级显示的是光敏管被两次遮挡的时间间隔，即迈着当任何一只 光敏管时，计时开始，当任何一只光敏管被又一次遮挡时，及时停止。 清零方式选择开关：为了

10、便于读出计时结果，根据测量的不同需要，毫秒计数 字的时间可以长久保留，也可以短暂保留。当清零方式选择开关置于“手动” 位置时，数字窗中显示的时间数字，只有在按动手动复位按钮放可消除。否则 会长时间保留下去，并会累加到毫秒计以后的时间数字上。当该选择开关置于 “手动”位置时，数字窗中显示的时间数字经过一定时间间隔后会自动回零。 延时按钮：当清零方式选择开关置于“手动”位置时，数字窗中显示的时间数 字保留的时间长短由此按钮控制。旋转此钮时，显示时间的长短在 03s 间连续 可调。 手动复位：当轻灵方式选择开关置于 0.1s，1ms，10ms 三种，由测量需要而选 择适当档位。时基补通，对应显示数字

11、所代表的时间长短不同，其仪器的最大 误差也不同。例如，数字窗中显示数为 2677，对于时基为 0.1ms，时间为 26770.1ms=267.7ms，为 0.1ms;而对于时基为 1ms，则时间为 26671ms=2667ms，为 1ms。 注意：在轨道没有充气的情况下，不要将滑块拿下或取下，更不要在导轨上滑 动滑块！【实验内容与步骤】：一、气垫导轨的水平调节 调节导轨水平的程度是做好实验的关键。如导轨上装有水平仪，可调节螺母观 察水平仪显示状态。当导轨水平时，滑块在水平方向上所受的合外力为零，此 时滑块静止，或者作匀速直线运动，但是，因为气轨的加工不可能绝对平直， 滑块也难以完全静止，如轻轻

12、推一下滑块，则滑块从一端向另一端运动，先后 通过 2 个光电门的时间 t1和 t2应相等，由于空气阻力，滑块速度缓慢减小，经 过后一个光电门的时间总比经过前一个光电门的时间长，经仔细调节，使滑块 经过 2 个光电门的时间相差不超过 1，至少在朝滑轮方向运动时满足这一要 求，这时可视为导轨已调水平。 二、加速度的测量 启动气源向气轨送气，用清洁的棉纱沾酒精擦拭导轨表面及滑块内表面。 1、把 2 个相同的光电门放在导轨的不同位置，并按要求与数字毫秒计连接。接 通毫秒计电源，聚光灯泡发出的光束正好照在光敏管狭缝上，接通气源，使装 有挡光板的滑块可以在导轨上自由运动。调节导轨上的单脚螺丝，使滑块在导

13、轨上小范围内缓慢地来回运动（不是总朝一个方向），这时导轨基本调平。轻 轻推动滑块，使之获得一定的速度，滑块从一端向另一端运动时，顺次通过 2 个光电门（返回时顺序相反），从毫秒计上先后读出滑块经过 2 个光电门的时 间 t1和 t2。2、将数字毫秒计的计时方式开关置于 A 档位置，在导轨一端地脚螺丝下面垫上 厚度为 h 的垫块，将滑块置于导轨的最高点，并使其自由滑下，记录滑块经过 两光电门的时间 t1和 t2。重复上述侧五次并记录数据（加速度的测量要求保证 初始条件不变）。 3、用游标卡尺测量档光片的宽度 L 并记录； 4、测出两光电门之间的距离并记录； 5、测出气垫导轨的长度并记录； 6、关

14、闭毫秒计，取下滑块，关闭气泵，将一起整理复原。 注意事项: 气轨是一种高精度实验装置，导轨表面和滑块内表面有较高的光洁度，且配合 良好。因此，各组导轨和滑块只能配套使用，不得与其他组调换，实验中要严 防敲碰、划伤导轨和滑块（特别是滑块不能掉在地上）；不得在未通气时就将 滑块在导轨上滑动，以免擦伤表面；使用完毕，先将滑块取下再关气源；导轨 和滑块表面有污物或灰尘时，可用棉纱沾酒精擦拭干净；导轨表面气孔很小， 易被堵塞，影响滑块运动，通入压缩空气后要仔细检查，发现气孔堵塞，可用 小于气孔直径的细钢丝轻轻捅通；实验完毕，应将轨面擦净，用防尘罩盖好。【数据处理】：档光片的宽度 L= 两光电门距离 H=

15、 气垫导轨的长度 S= 垫块高度 h= 下滑上滑t1（s） t2（s） t1（s） t2（s）下滑上滑t1t2t3物体下滑物体下滑V1(cm/s)V2（cm/s）a(cm/)2s(cm/)a2s123物体上滑物体上滑V1(cm/s)V2（cm/s）a(cm/)2s(cm/)a2s123忽略空气阻力的情况下,可用公式得出：g=asin ga hS所以有： 上升的 g上=下降的 g下=因为：长春的 g=980.66(cm/) 所以误差度为：2s上升的 e=gg标准标准上 gg-g下降的 e=gg标准标准下 gg-g而在不忽略空气阻力的情况下，可用公式（4）得出：g=hl 2aa下上误差度为： e= gg