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1、流体中运动物体瞬时加速度测量的改进Improvement on the instantaneous acceleration measurement of moving object in the fluid黄育红（陕西师范大学物理学院陕西 西安 710062）苗锟（陕西师范大学理工科基础教学部 陕西 西安 710062）王璐（西安市第十五中学陕西 西安 710077）摘 要：不同形状的物体在流体中运动时受到的阻力不同，为此利用气垫导轨和光电计数器等相关装置设计实验，测出物体在不同位置速度与加速度的值，根据牛顿定律就可以研究各种形状的物体在流体中运动所受阻力情况。在此实验中，传统的测量加速度的
2、方法只能测出两点之间的平均加速度，测量误差大。本文提出一个巧妙的方法，借助光电门和通用计数器，可对各点的瞬时加速度进行测量，该实验方法精确、误差小，它也是基础实验知识的一个迁移，体现了知识间的密切联系与过渡关键词：气垫导轨；瞬时加速度；光电门；通用计数器；挡光片1 引 言“物体在流体中运动规律的研究”是大学物理综合提高实验中一个重要的实验，为了研究不同形状的物体在流体中运动时所受阻力的情况，利用气垫导轨和光电计数器等装置设计实验在此实验中，物体在流体中运动时受到绳子的拉力、流体的阻力、浮力和重力四个力的共同作用，再达到平衡之前，其加速度时刻变化，这就涉及到变变速运动过程中瞬时加速度的测量而流体
3、中的物体和气垫导轨上的滑块通过滑轮连接，因此测量流体中运动物体的加速度就转化为测量气垫导轨上滑块的瞬时加速度，原有的测量方法操作繁琐，且只能测出两点之间的平均加速度，测量误差大史健1对气垫导轨上物体做匀变速运动时加速度的测量方法做了具体阐述，对比分析了三种方法的优劣性，得出中专物理教学中主要采用的方法董英伟等2提出测量速度和加速度的新方法，此方法通过公式变形将间接测量转化为可直接测量的位移和时间，减小了实验误差，但它仅适用于匀变速运动中黄运开等3提出用双光电门研究变加速运动，使得实验复杂化，操作难度加大本文在原有仪器基础上，提出测量变变速运动时物体瞬时加速度测量的新方法，该方法将匀变速运动中加
4、速度的测量公式进行巧妙地迁移，其中体现了知识点的紧密联系，培养了学生灵活应用知识的能力，也增加了实验的精度2 实验简述为了研究诸如球形、流线体、圆锥形等不同形状的物体在流体中运动所受阻力情况，设计实验装置如图1所示设被测物体的质量为，滑块质量为，忽略线重和滑轮产生的影响，则该系统的运动方程为： （1）式（1）中和分别为物体在流体中的浮力和所受的阻力利用实验装置测出物体在不同位置速度与加速度的变化，利用方程（1）找出与的关系，就可以研究不同形状的物体在流体中的阻力，特别是对球形物体，利用该实验的结果和修正后的斯托克斯公式的计算结果进行比较，可以进一步验证实验的可行性由于被测物体和气垫导轨上的滑块
5、以同一速度运动，利用通用计数器测出滑块在不同位置的速度和加速度，就测出了物体在不同位置的速度与加速度图1 不同形状的物体在流体中运动的实验装置图 3 通用计数器的计时方式为了将理论测量和具体实验仪器结合，更好地理解实验中的相关操作，有必要搞清楚通用计数器的计时方式实验中用的是MUJ-6B型电脑通用计数器，在滑块上安装挡光片，计数器可以记录时间、速度、周期、碰撞时的动量等，根据实验的具体要求，可选择不同形状的挡光片，常用的为U形和条形挡光片计数器的功能按钮中最重要且易让人混淆的就是计时1和计时2下面以U形挡光片为例阐述两种计时方式的区别如图2(a) 所示，在滑块上安装U形挡光片，当滑块通过光电门
6、时，挡光片的边沿首先遮光，触发计时，遮光时停止计时，记录的遮光时间为1，这为计时方式1如图2(b) 所示，当滑块通过光电门时，挡光片的边沿首先遮光，触发计时，遮光时停止计时，记录的遮光时间为2，此为计时方式2简言之，计时1是逢遮光必计数，而计时2是间隔遮光计数（a）计时1 （b）计时2图2 通用计数器对U型遮光板的两种计时方式c滑块运动方向光电门滑块运动方向b光电门4 流体中运动物体瞬时加速度的测量改进 众所周知，实验验中测量匀变速运动时物体加速度的方法通常有：几何法，运动学方程，作图法等其中利用运动学方程测量时可用，或等多个变形公式采用的公式不同，具体实验操作的过程也不一样，下面以其中一个为
7、例，简单阐述其测量思路 如式（2）所示，分别为滑块经过路程时的初速和末速度实验中通用计数器档位的选择因挡光片形状不同而变化，选择U形挡光片，选用“计时2或加速度”档位，选择条形挡光片，选用“计时1”档位均可以实现的测量 (2)测量过程中由通用计数器记录下相应的时间，利用公式计算，用米尺或气垫导轨上自带的刻度尺测量出，由（2）式可计算出加速度的值在本实验中，物体在流体中运动未达到平衡前，其加速度时刻都在变化，因此滑块也在导轨上作变变速运动，利用光电计数器对滑块的加速度进行瞬时测量显得尤为重要通常人们采用的思路是，实验者使两个光电门靠的很近，由此式得出的平均加速度近似为瞬时加速度，这种方法测出来的
8、误差很大本文将（2）式的测量方法得以迁移与灵活应用，可测出误差很小的瞬时加速度具体介绍如下：如图3所示，滑块上装U行挡光片，通用计数器选择“计时1”，当边沿过光电门时触发计时，经过光电门时终止计时，此记录的时间为，滑块继续前行，当边沿经过时，再次触发计时，通过光电门时终止计时，记录时间为，用游标卡尺量出挡光片上（或）之间的距离，瞬时加速度由（3）式计算得出 (3)气垫导轨光电门b图3 瞬时加速度测量的装置示意图综上所述，本文在原有的实验配置基础上，将传统的测量匀变速运动加速度的方法迁移到测量变变速运动瞬时加速度测量之中，灵活巧妙的实现了瞬时加速度的测量，实验误差很小该方法很好的体现了知识间的联系，对学生开拓思维、灵活应用知识起到了很好的作用参考文献1 史健用气垫导轨测加速度的三种方法中专物理教学，1997，5(1)：292 董英伟，杜军在气垫导轨上测速度和加速度的新方法天津职业技术师范学院学报，2000，10(4)：34363 黄运开，章翠娥，彭忠旦，等用双光电门研究变加速运动大学物理实验，1995，8 (4)：1114
