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1、本文格式为Word版，下载可任意编辑动量守恒实验报告 测验五 气垫导轨上的测验 【测验简介】 力学测验中，摩擦力的存在使测验结果的分析处理变得很繁杂。采用气垫技术能大大地减小物体之间的摩擦，使得物体作近似无摩擦的运动，因此在机械、纺织、运输等工业领域都得到了广泛的应用。利用气垫技术制造的气垫船、气垫输送线、空气轴承等，可以减小机械摩擦，从而提高速度和机械效率，延长使用寿命。 在物理测验中采用现代化的气垫技术，可使物体在气垫导轨上运动，由于气垫可以把物体托浮使运动摩擦大大减小，从而可以举行一些精确的定量研究以及验证某些物理规律。 气垫船之父 克里斯托弗科克雷尔 英国电子工程师（19101999）
2、 克里斯托弗科克雷尔在船舶设计中察觉海水的阻力降低了船只的速度，于是兴起了要“把船舶的外壳变为一层空气”的念头。1953年，他利用这个原理制造了一条船，从船底一排排的喷气缝射出空气，形成气垫把船承托起来，即气垫船。可以说他是气垫技术创始人。气垫技术现已广泛应用于各方面。 测验实习一 测量速度、加速度及验证牛顿其次定律 【测验目的】 1、 熟谙气垫导轨和电脑计时器的调整和操作； 图5-1（a）气垫船 （b）科克雷尔 2、 学习在低摩擦条件下研究力学问题的方法； 3、 用气垫导轨测速度、重力加速度,验证牛顿其次定律。 【测验仪器及装置】 气垫导轨（QG-5-1.5m型）及附件、电脑通用计数器(MU
3、J-6B型)、光电门、气源（DC-2B型）、电子天平（YP1201型）、游标卡尺（0.02mm）及钢卷尺（2m）等 气垫导轨是一个一端封闭的中空长直导轨，导轨采用角铝合金型材，外观有大量小气孔，压缩空气从小孔喷出，在物体滑块和导轨间产生0.050.2mm厚的空气层，即气垫。为了加强刚性，不易变形，将角铝合金型材固定在工字钢上，导轨长度在1.22.0m之间，导轨面宽40mm上面两排气孔孔径0.50.9mm。全套设备包括导轨、起源、计时系统三大片面。布局如图5-1-1所示。 光电门 进气管 角铝合金型材轨面 反冲弹簧 工字钢底座 图5-1-1 气垫导轨实物图 图5-1-2 MUJ-6B型电脑通用计
4、数器 U型档光片 底座调理螺钉（双） 底座调理螺钉（单） 图5-1-3 测验装置图 运动体（滑块） 【测验原理】 1、瞬时速度的测量 物体作直线运动，在?t时间内经过的位移为?x，那么物体在?t时间内的平均速度为 ?t是分外困难的。在确定误差范围内，可以采用极短的?t内的平均速度近似地代替瞬时速度。 ?t?0v?x?t，当?t ?0，我们可得到瞬时速度 v?lim?x。但在实际测量中瞬时速度的测量 在气垫导轨测验中，在滑块上装上U形挡光片，如图5-5所示。 当滑块在气轨上自左向右运动经过光电门时，挡光片A的前缘11/ 遮挡光电门光源时，电脑通用计数器开头计时；挡光片B的前缘22/ 遮挡光源时，
5、电脑通用计数器中断计时；毫秒计测出挡光片距离?L通过光电门的时间?t，那么可认为滑块通过光电门的瞬时速度为： v? ?L （5-1-1） ?t运动方向 图5-1-4 图 U型档光片 ?L愈小，测出的平均速度愈接近滑块在该处的瞬时速度。 2、加速度的测量 气轨上A、B处两个光电门之间的距离为s，在单脚螺丝下面放高度为h的垫块，如图5-1-4所示。在疏忽空气阻力的处境下，滑块在气轨上作匀加速直线运动。由电脑通用计数 器测出滑块通过两个光电门的时间?t1、?t2，可算出滑块在两个光电门处的瞬时速度v1、v2，通过两光电门的时间间隔t, 那么加速度可利用关系式5-2计算得到。 由于电脑计数器有 记忆运
6、算功能，测量前只要输入档光片的宽度值就可直接测出滑块运动的速度、加速度值。 a?v2?v12s22或a?v2?v1t （5-1-2） 图5-1-5 物体斜面下滑图 3、气轨法测重力加速度 假设空气摩擦的影响可以疏忽不计，那么全体落地的物体都将以同一加速度下落，这个加速度称为重力加速度g。将气轨一端单脚下加垫块成斜轨如图5-6所示。 沿气轨斜面下滑的物体，其加速度为a?gsin?g以: g?aLhhL。若角?很小，sin?tan?，所 (5-1-3) 其中h为导轨调水平后一端垫起的高度，L为导轨前后角两支点的距离。分别测得滑块下滑 加速度a、垫块高度h及导轨前后角两支点的距离L,即可求出重力加速
7、度值。 4、 验证牛顿其次定律 方法一 气垫导轨调成水平状态，将系有砝码盘及砝码的细线跨过气轨滑轮与滑块相连接如图5-1-6所示。在略去摩擦力、不计滑轮和线的质量、线不伸长的条件下，根据牛顿其次定律，那么有： m2g?T?m2a （5-1-4） T?m1a （5-1-5） 式中，m1为滑块的质量，m2为砝码盘和砝码的质量，T为细线的张力，a为滑块的加速度，g为本地重力加速度。解式（4）和式（5），可得: F?Ma (5-1-6) 式（6）中，F?m2g为砝码盘和砝码的重力，M?m1?m2为系统的质量，a为滑块运动加速度。 、 图5-1-6 验证牛顿其次定律 方法二 将气垫导轨单脚螺钉下加垫块导
8、轨成斜状如图5-1-5所示。若不计阻力，那么滑块从导轨 F?mgsin?mg上端自由下滑所受的合外力就是下滑分力， hL。假设牛顿其次定律成立， 有F?mghL?ma理论，a理论?ghL。将测验测得的加速度a与理论加速度a理论举行对比， 计算相对误差。假设误差是在可允许的范围（5%），即可认为 a?a理论，那么验证了牛顿其次定律。（本地g可查得） 5、定性研究滑块所受的粘滞阻力与滑块速度的关系 用气垫导轨测验时，滑块实际要受到气垫和空气的粘滞阻力。考虑阻力时，滑块的动力学方程应为mghL?f?ma，f?mghL?ma?m(a理论?a)。对比不同倾斜状态下的平 阻力f与滑块的平均速度，可以定性得
9、出阻力与运动速度的关系。 【测验内容及要求】 一、气轨的调平 1、粗调：调理双脚螺钉和单脚螺钉大致等高。电脑计数器与光电门连接上。开启气源放上滑块（留神：务必先开气源，再放滑块），使滑块浮起，假设滑块始终向一个方向运动，说明气轨向该方向倾斜，调理单脚螺钉，直到滑块保持不动或稍有滑动，但无确定方向性，即可认为大致水平。 2、细调：采用动态调平方法。滑块上装1.00cm档光片，按住转换键检查档光片宽度设定为1.00cm，将两个光电门分别放在气轨上相距确定距离的两处（大约5070厘米），中速推动 （?t右-?t左）滑块，使滑块在气轨上来回运动，调理单脚螺钉，使滑块向右运动时，1ms ； （?t左-?
10、t右）使滑块向左运动时，1ms；那么可认为气轨水平已调好。由于不成制止的摩擦力 的存在，一般通过其次个光电门的时间略大于第一个。 （注：电脑计数器功能选择计时s2，单位为时间ms、s，测得的是时间间隔?t，如单位为cm/s，那么测得的是速度v） 二、测滑块的速度 气轨调平后，从电脑计数器上记录滑块从左向右和从右向左运动时通过两个光电门时间?t1、?t2、v1、v2各重复3次。填入表一，计算速度差值，写测验结论。 三、测滑块运动的加速度，验证牛顿其次定律（方法二） 电脑计数器功能选择加速度a。导轨水平状态下，在单脚螺钉下面分别加一个、二个、三个、四个垫块。让滑块由固定点静止下滑。记录滑块分别通过
11、两个光电门的速度v1、v2及运动加速度a，各重复5次，计算a。用游标卡尺测出垫块高度h，用钢卷尺测出气轨单脚螺钉到双脚螺钉之间的垂直距离L。填入表二，按表格数据处理要求计算测验结果，写测验结论。 四、定性研究滑块所受的粘滞阻力与滑块速度的关系 用电子天平称量滑块的质量m，计算四种不同倾斜状态下滑块受到的平均阻力f，并考察四种不同倾斜状态下滑块的平均速度，通过分析对比，得出f与v的定性关系，写出测验结论。 五、选做在气轨上测量重力加速度。方案拟定，数据记录表格自己设计。 【数据记录与处理】 表一 速度的测量 （档光片宽度?L?1.00cm，水平状态） 滑块由右向左运动 滑块由左向右运动 工程 1
12、 2 3 ?t1 次数 （ms） ?t2 (ms) v1 v2 v2?v1 ?t1 (cm/s) (cm/s) (cm/s) （ms） (ms) (cm/s) (cm/s) (cm/s) ?t2 v1 v2 v2?v1 表二 加速度测量及牛顿其次定验证 （档光片宽度?L?1.00cm） 导轨前后脚距离L=_cm 滑块质量m=_g 测量量 v 1数据 次(cm/s) 垫块高度 序 v2 (cm/s) a 2a (cm/s) 2a理论?g(cm/s) 2hLE(a)?a理论?aa理论?100%(cm/s) h1=_cm h2?_cm h3?_cm h4?_cm 【留神事项】 1气垫导轨的轨面不许敲、碰，假设有灰尘污物，可用棉球蘸酒精擦净。 2滑块内外观光亮度很高，严防划伤，更不容许掉在地上
