1、實驗二氣墊導軌的應用氣墊導軌是為消除摩擦而設計的力學實驗儀器，它利用從導軌表面小孔噴出的壓縮 空氣，使導軌表面與滑行器之間形成一層很薄的“氣墊”將滑行器浮起，使運動時的接觸 摩擦阻力大為減小，從而可以進行一些較為精確的定量研究。工業(yè)上利用氣墊技術，還 可以減少機械或器件的磨損，延長使用壽命，提高速度和機械效率，所以，氣墊技術在 機械、紡織、運輸等工業(yè)生產中得到廣泛應用，如氣墊船、空氣軸承、氣墊輸送線等。一、機械能守恒定律的驗證【實驗目的】1. 了解氣墊導軌的構造，掌握它的調平方法。2. 了解計數器的計時原理，掌握它的操作方法。3. 驗證機械能守恒定律?！緝x器簡介】1.氣墊導軌氣墊導軌是一種力學

2、實驗裝置，它主要由空腔導軌、滑行器、氣源和光電門裝置組 成，如圖1所示。滑行器導軌是用一根平直、光滑的三角形鋁合金制成，固定在一根剛性較強的鋼梁上。導 軌長為1.5m,軌面上均勻分布著孔徑為0.6mm的兩排噴氣小孔，導軌一端封死，另一端 裝有進氣嘴。當壓縮空氣經管道從進氣嘴進入腔體后，就從小氣孔噴出，托起滑行器， 滑行器漂浮的高度，視氣流大小及滑行器重量而定。為了避免碰傷，導軌兩端及滑軌上都 裝有彈射器。在導軌上裝有調節(jié)水平用的地腳螺釘。雙腳端的螺釘用來調節(jié)軌面兩側線 高度，單腳端螺釘用來調節(jié)導軌水平?；蛘邔⒉煌穸鹊膲|塊放在導軌底腳螺釘下，以 得到不同的斜度。導軌一側固定有毫米刻度的米尺，便

3、于定位光電門位置。滑輪和祛碼 用于對滑行器施加外力。滑行器是導軌上的運動物體，長度為156mm,也是用鋁合金制成，其下表面與導軌的兩個側面精密吻合，根據實驗需要，滑行器上可以加裝擋光片、加重塊、尼龍扣、彈 射器等附件。氣源為專用氣泵，用氣管與導軌連接。光電計時裝置由光電門毫秒計組成。J0201-CHJ存儲式數字毫秒計采用單片微處理器, 程序化控制，可用于各種計時、計數、測速度等，并具備多組實驗數據的記憶存儲功能。 儀器面板如圖2所示。1)2)3)4)5)6)7)數據顯示窗口：顯示測量數據、光電門故障信息等。單位顯示：s> ms、cm/s> cm/s?或不顯示（計數時不顯示單位）。功

4、能選擇指示：C一計數a加速度S2一間隔計時Col一碰撞Si遮光計時g重力加速度T一振子周期Sgl一時標【功能】鍵 【清零】鍵 【停止】鍵 【6V侗步】功能選擇。清除所有實驗數據。停止測量，進入循環(huán)顯示數據或鎖存顯示數據。與J04217 H由落體試驗儀或J04227斜槽軌道配合使用。1號光電門輸入插座、2號光電門輸入插座及電源開關在儀器的后板上。測試原理晶體振蕩器可以產生頻率穩(wěn)定在104Hz的矩形脈沖。數字顯示電路的作用是記錄進 入該電路的矩形脈沖數目，并用數碼管顯示此矩形脈沖的累計數?？刂齐娐吩诠怆婇T和 光電開關的作用下產生控制脈沖，在控制脈沖的作用下，電子開關能自動接通或斷開晶 體振蕩器到計

5、數顯示電路的電信號通路。實驗過程中，在導軌上從左向右滑動的滑行潛上裝有擋光框（在滑行器上裝擋光框時, 重心應在滑行器中心），擋光框上有兩個擋光區(qū)：擋光區(qū)1和擋光區(qū)2,如圖3所示。當 擋光區(qū)1的右側邊緣遮擋由聚光燈射向光敏管的光線時，光敏管阻值變化，經光電開關 將此輸入控制電路，控制電路產生一個控制脈沖使電子開關接通，計時電路開始記錄由 晶體振蕩器輸入的矩形脈沖數目。當擋光區(qū)2的右側邊緣遮擋由聚光燈射向光敏管的光 線時，控制電路產生第二個脈沖，電子開關立即斷開晶體振蕩落計時電路的通路，計時停止。這時數碼管上顯示的數字即為兩次擋光之間的時間內進入計時電路的矩形脈沖累 計數，設此數為N。由于矩形脈沖

6、的頻率為lO4Hz,故周期為10飛，所以通過N個脈沖 的時間AfuNxlCTS。如：脈沖累計數為8536,則2 = 8536x10-45 = 0.8536s = 853.6ms。t也就是滑行潛上兩個擋光區(qū)右側邊緣之間的距離Ax （a=演-）通過光電門時所 用的時間?！緦嶒炘怼繖C械能守恒定律：物體在運動過程中，只有保守力做功，則物體的機械能守恒，即:E1=E2o氣墊導軌調平后，在A墊腳旋鈕（單腳）下墊上高度為h的墊塊，使滑行器由A處 靜止滑下，到達&處時速度由于采用了氣墊導軌作為滑坡，滑行器與斜坡的摩擦阻 力很小，可以認為滑行器在運動過程中只有重力做功，而重力為保守力，故機械能守恒,1

7、 7即mghr = mu我們用相對誤差E來表示實驗的優(yōu)劣：mgh"-mu22gWmgh"1."的測量為A （靜止釋放點）和& （速度測量點）處導軌的高度差，此值不便直接測量, 由圖4中兩個相似三角形可得圖4用氣墊導軌驗證機械能守恒定律“A，B，I h =hAB通過測量A2'、AB的長度（使用導軌側面的米尺）及墊塊的高度h （使用游標卡 尺），間接測出高度工2. u的測量滑行器上距離Ay擋光邊緣經過玄處光電門時使用的時間為N ,我們用Z內的平Ar均速度來近似代替滑行器經過&處的速度U,所以U = Ar【實驗步驟】1 .調平氣墊導軌。應將氣墊導

8、軌的縱橫兩個方向都調平。橫向調平時細心調節(jié)雙腳螺 旋B中的一個螺旋的升降，直到滑行器與導軌兩測的間隙相等為止（已由實驗室調好）。 縱向調平時，調節(jié)單腳螺旋A的升降，先粗調，后細調。（1）粗調：打開氣源，使滑行潛浮起，將滑行港先后放在導軌左端和右端，由靜止釋放, 觀察其是否向左右自行滑動，若向某個方向滑動，就表明導軌未調平，該方向低。細心 調節(jié)單腳螺旋的升降，直到滑行港基本上可以靜止在導軌上任意位置為止。（2）細調：細調采用單向動調法，接通J0201CHJ存儲式數字毫秒計的電源，選擇功 能為間隔計時，將兩光電門置于導軌左右兩端距端點約30.00 cm處，然后，將滑行器拉止 左端，用手向右輕推,使

9、滑行器以中等速度（30-60 cm/s,時間顯示為117.00-233.0ms） 滑行，數字毫秒計測量出Ax經過光電門1和光電門2所用的時間Ah和412,反復細心 調節(jié)單腳螺旋A,使h=Zt2。由于氣墊的粘滯力和空氣阻力等影響，滑行器通過兩光電 門的時間很難完全相等。如果一叭2%這時，就可以認為氣墊導軌己經處于水平狀態(tài)。2 .測量A'和B'之間的距離A' B'氣墊導軌調平后，在單腳螺旋A下墊一塊墊塊。將滑行器拉到導軌左端A'處，記錄滑行潛正中間處的標尺讀數匕（25.00 cm左右）。此時，只需要右端光電門。記錄光電門所附箭頭處的標尺讀數耳（110.00c

10、m左右）。則4?=耳-總。3 .使滑行器從A'處靜止狀態(tài)滑下，測出滑行器經過B'處光電門所用的時間h。重 復5次，求彳。4 .用游標卡尺測出墊塊高度九，沿不同方位測量5次，求出死。5 .在單腳螺旋A下墊兩塊墊塊，重復步驟3,求出石。6 .重復步驟4,求出兒。7 .用游標卡尺測出兩個擋光區(qū)之間距離Ax,在不同部位測量5次，求出版。8 .計算出片，旗巳,如與?！緶y量記錄和數據處理】=cmxB =cmAB = xB-xA=cmxfA =cmxfB =cmAfBf = xfB-xA=cm實驗次數12345平均值MG) % =純(s)Af2 =hi(nrni)K =h2 =網 (mm)x

11、2 (?？)Ar(/77/7?)乂 AfBrhi =/?, =cmAB,A" r,h, =/?-, =cm AB 2v,=cm!s(Ax,=cm!s-純4/1-W=%112gM£=1 I =%-2回【注意事項】1 .接通氣源即有氣流輸出，泵的出氣壓力可用選鈕調節(jié)，請盡量使用低擋位輸出， 則不僅可以減少噪音、降低功率損耗和出氣溫度，而且可延長電機壽命。2 .因泵內電機所發(fā)熱量全靠輸出氣流帶走，故不僅必須保證進氣孔上無臟物，亦要保證所用氣軌出氣暢通，出氣溫度須小于60。3 .準備好實驗后再開氣源，盡量縮短氣泵連續(xù)工作時間。4 .導軌工作面和滑行器內表面不要用手觸摸。5 .嚴禁在

12、未通氣的情況下將滑行器放在導軌工作面上滑動，以免劃傷導軌表面。【思考題】1 .如何鑒別氣墊導軌已經調平？2 .滑行器勢能的減少值并不完全等于滑行器動能的增加值，試分析產生誤差的原因?二、驗證牛頓第二定律【實驗目的】1 .利用氣墊導軌測定速度和加速度。2 .驗證牛頓第二定律?！緦嶒炘怼? .速度的測定Ar物體作直線運動時，平均速度為。=，時間間隔或Ax越小時，平均速度越接 Ar近某點的實際速度，取極限就得到某點的瞬時速度。在實驗中直接用定義式來測量某點 的瞬時速度是不可能的，因為當趨向零時Ax也同時趨向零，在測量上有具體困難。 但是在一定誤差范圍內，我們仍可取一很小的/,及其相應的Ax,用其平

13、均速度來近 似的代替瞬時速度。被研究的物體（滑行器）在氣墊導軌上作“無磨察阻力”的運動，滑行浴上裝有一 個一定寬度的擋光片，當滑行器經過光電門時，擋光片前沿擋光，計時儀開始計時；擋 光片后沿擋光時，計時立即停止。計時滯上顯示出兩次擋光所間隔的時間八羽則是 擋光片兩片同測邊沿之間的寬度。如圖1所示。由于Ax較小，相應的/也較小。故可 將Av與的比值看作是滑行器經過光電門所在點（以指針為準）的瞬時速度。2 .加速度的測定(1)當滑行器在水平方向上受一恒力作用時，滑行器將作勻加速直線運動。其加速度由 公式I? 一/2 = 2。（工一人0）,即2* 一%)得到。根據上述測量速度的方法，只要測出滑行潛通

14、過第一個光電門的初速度必，及第二 個光電門的末速度。，從光電門的指針可以讀出用和X,這樣根據上式就可算得滑行器 的加速度a o3 .驗證牛頓第二定律牛頓第二定律是動力學的基本定律。其內容是物體受外力作用時，物體獲得的加速 度的大小與合外力的大小成正比，并與物體的質量成反比。圖2 瞼證牛頓笫二定律圖2中，滑行器質量為祛碼盤和祛碼的總質量m2,細線張力為T,則有m2-T = m2aT =叫。(2)合外力F=m2Xg = （ml+m2）a令 M=則X4F=M a（3）由推得的公式可以看出：F越大，加速度。也越大，且£為一常量；在恒力（F保a持不變）作用下，M大的物體，對應的加速度小，反之亦

15、然。由此可以驗證牛頓第二定 律。其中加速度。由公式（1）求得?！緦嶒瀮热荨? .調平氣墊導軌。應將氣墊導軌的縱橫兩個方向都調平。橫向調平時細心調節(jié)雙腳螺 旋B中的一個螺旋的升降，直到滑行器與導軌兩測的間隙相等為止（已由實驗室調好）。 縱向調平時，調節(jié)單腳螺旋A的升降，先粗調，后細調。（1）粗調：打開氣源，使滑行器浮起，將滑行潛先后放在導軌左端和右端，由靜止釋 放，觀察其是否向左右自行滑動，若向某個方向滑動，就表明導軌未調平，該方向低。 細心調節(jié)單腳螺旋的升降，直到滑行港基本上可以靜止在導軌上任意位置為止。（2）細調：細調采用單向動調法，接通J0201CHJ存儲式數字毫秒計的電源，選擇 功能為間

16、隔計時，將兩光電門置于導軌左右兩端距端點約30.00 cm處，然后，將滑行器拉 止左端，用手向右輕推，使滑行器以中等速度（30-60 cm/s,時間顯示為117. 00-233. 0ms） 滑行，數字毫秒計測量出Ax經過光電門1和光電門2所用的時間匕和412,反復細心 調節(jié)單腳螺旋A,使由于氣墊的粘滯力和空氣阻力等影響，滑行器通過兩光電 門的時間很難完全相等。如果幽這時，就可以認為氣墊導軌已經處于水平狀態(tài)。2 .測定速度（1）實驗裝置見圖3。（2）在導軌低端裝置彈射器，用墊高塊將導軌擺成傾斜狀態(tài)，起始檔板固定在最高 端處。（3）將光電門G置于導軌上70cm處（另一光電門不用），將計時器功能選擇

17、在“間 隔計時”檔上。（4）用10cm的擋光片固定在滑行器上，讓滑行器緊靠起始檔板從高端自由下滑， 通過光電門Gi后，計時器就會測出滑行器通過G1時的時間!：,按動計時器停止鍵，計時器就顯示出土,可計算出瞬時速度u = 仝三的數值。（5）依次更換5cm、3cm、1cm的擋光片，重復上述實驗，計算上、八、山，根據 瞬時速度的概念，擋光片最短時，所測的平均速度U可以近似認為該處的瞬時速度。3 .測量加速度（1）實驗裝置見圖4（2）在導軌低端裝置彈射器，用墊高塊將導軌擺成傾斜狀態(tài)，起始檔板固定在最高端 處。（3）將光電門放置在導軌的某兩個位置上（放置30cm. 90cm處），計時器功能選擇在測加 速

18、度“?！睋酰?cm的擋光片固定在滑行器上。（4）滑行器緊靠起始檔板，從高端自由下滑，通過兩個光電門，計時潛就會自動測出 并顯示出滑行器通過上擋光片光電門G、G2處的時間七、At3,從Gi滑行到G2處所 用的時間ToAjvAv（5）按所測出的時間數據，分別計算通過Gi和G2的瞬時速度0 =工廠， =工廠和 LXl LXI ,_ 02 一 %物體運動加速度a - 的值。（6）將光電門Gi, G2分別置于30cm, 80cm處和30cm、90cm處分別重復上述實驗, 所測實驗數據，計算。值，可以驗證物體做勻加速直線運動加速度是恒量。4 .驗證牛頓第二定律物體質量M不變時，驗證加速度。與合外力F的關

19、系。（1）實驗裝置見圖5o（2）首先在氣軌的端部小心安裝好滑輪，使其轉動自如，細心調整好導軌的水平。（3）在滑行器上裝上1cm的擋光片，兩端各裝上掛鉤，將拴在祛碼桶上的細線跨過滑輪 并通過堵板上的方孔掛在滑行器的掛鉤上。（4）將起始檔板固定在導軌高端適當位置上，并將兩個光電門置于導軌的的相應位置 上（如30cm和80cm處），注意當祛碼桶著地前，滑行器要能通過靠近滑輪一側的光電門。（5）計時器的功能選擇在檔，在祛碼桶內加上一定質量5g的祛碼，并在滑行器 上加兩個祛碼2m,導軌通氣，讓滑行器從起始檔板處開始運動，通過兩個光電門，計時 器會自動測出并直接顯示出加速度。的數據。（6）再將滑行器上兩個祛碼分兩次從滑行器移至祛碼桶中，重復上述步驟。驗證物體 質量M不變時，加速度。的大小與合外力F的大小成正比。注意每次實驗滑行器要緊靠起始板輕輕開始運動。在合外力F不變時，驗證加速度a與物體質量M的關系。（