气垫导轨实验.doc

气垫导轨实验气垫导轨是一种阻力极小的力学实验装置。它利用气源将压缩空气打入导轨型腔，再由导轨表面上的小孔喷出气流，在导轨与滑行器之间形成很薄的气膜，将滑行器浮起，并使滑行器能在导轨上作近似无阻力的直线运动。 气垫导轨表面小孔喷出的压缩空气，将滑行器浮起，使运动时的接触摩擦阻力大为减小，从而可以进行一些较为精确的定量研究。工业上利用气垫技术，还可以减少机械或器件的磨损，延长使用寿命，提高速度和机械效率，所以，气垫技术在机械、纺织、运输等工业生产中得到广泛应用，如气垫船、空气轴承、气垫输送线等。利用气垫导轨可以实现的实验项目有很多，主要有：1、测定匀加速直线运动的速度，并验证匀加速直线运动公式；2、验证动量定理和动量守恒定律；3、验证机械能守恒定律；4、弹簧振子的运动规律；5、受迫振动-振子质量与共振，频率和振幅的关系；6、物体在液体中的运动；7、可变质量的牛顿第二定律。【仪器介绍】一、导轨部分1、导轨是用一根平直、光滑的三角形铝合金制成，固定在一根刚性较强的钢梁上。导轨长为1.5m，轨面上均匀分布着孔径为0.6mm的两排喷气小孔，导轨一端封死，另一端装有进气嘴。气泵将压缩空气送入空腔管后，再由小孔高速喷出。托起滑行器，滑行器漂浮的高度，视气流大小及滑行器重量而定。为了避免碰伤，导轨两端及滑轨上都装有弹射器。在导轨上安放滑块，在导轨下装有调节水平用的底脚螺丝和用于测量光电门位置的标尺。双脚端的螺钉用来调节轨面两侧线高度，单脚端螺钉用来调节导轨水平。或者将不同厚度的垫块放在导轨底脚螺钉下，以得到不同的斜度。滑轮和砝码用于对滑行器施加外力。整个导轨通过一系列直立的螺杆安装在口字形铸铝梁上。2、滑块是导轨上的运动物体，是由长约0.1000.300米的角铝做成的。其角度经过校准，内表面经过细磨，与导轨的两个上表面很好吻合。当导轨的喷气小孔喷气时，在滑块和导轨之间形成一层厚约0.05-0.20mm流动的空气薄膜气垫（气垫厚度由滑块重量确定）。这层薄膜就成为极好的润滑剂，这时虽然还存在气垫对滑块的粘滞阻力和周围空气对滑块的阻力，但这些阻力和通常接触摩擦力相比，是微不足道的，它消除了导轨对运动物体（滑块）的直接摩擦，因此滑块可以在导轨上作近似无摩擦的直线运动。滑块中部的上方水平安装着挡光片，与光电门和计时器相配合，测量滑块经过光电门的时间或速度。滑块上还可以安装配重块（即金属片，用以改变滑块的质量）、尼龙扣、弹射器及弹簧片等附件，用于完成不同的实验。滑块必须保持其纵向及横向的对称性，使其质心位于导轨的中心线且越低越好，至少不宜高于碰撞点。图3 光电门 3、气源为专用气泵，用气管与导轨连接。4、光电测量系统由光电门和光电计时器组成，其结构和测量原理如图2所示。当滑块从光电门旁经过时，安装在其上方的挡光片穿过光电门，从光电门发射器发出的红外光被挡光片遮住而无法照到接收器上，此时接受器产生一个脉冲信号。在滑块经过光电门的整个过程中，挡光片两次遮光，则图 2接受器共产生两个脉冲信号，计时器测出这两个脉冲信号之间的时间间隔。它的作用与秒表相似：第一次挡光相当于开启秒表（开始计时），第二次挡光相当于关闭秒表(停止计时)。但这种计时方式比手动秒表所产生的系统误差要小得多，光电计时器显示的精度也比秒表高得多。如果预先确定了挡光片的宽度，即挡光片两翼的间距，则可求得滑块经过光电门的速度。光电计时器是以单片机为核心，配有相应的控制程序，具有计时1、计时2、碰撞、加速度、计数等多种功能。“功能键”兼具“功能选择”和“复位”两种功能：当光电门没遮过光，按此键选择新的功能；当光电门遮过光，按此键则清除当前的数据(复位)。转换键则可以在计时1和计时2之间交替翻查24个时间记录。二、智能数字计时器部分1、 概述csz型智能数字测时器（以下简称测时器）是一种通过测时仪器。与导轨的配合，可以进行多种力学试验，测得精确可靠的计时数据，也可用于其他测时场合。测时器有二路光电门信号输入（电脉冲信号输入）和一路电频率信号输入。机器连接的光电门被挡光时，测时器可测得二次挡光之间的时间（范围可在50s99s之间）。利用频率输入口，可测得输入信号的频率（可测频率范围1hz500khz）。2、 技术参数 2.1 测时 测时范围：50s99s 分辨率：1s精度：50s（最大时间测量范围为1s时） 0.5ms（最大时间测量范围为10s时）2.2 计数计数最大容量：99999999 信号间最小时间间隔：1s2.3 频率测量范围：1hz500khz 分辨率：1hz精度：10hz（500khz输入时） 1hz（1khz输入时）输入灵敏度：500mv（ppv） 输入阻抗：200k2.4 显示方式：8位led数码管，小数点自动定位。2.5 电源电压：交流220v10%频率：50hz 功耗：m2时，两滑块相碰后，二者沿相同的速度方向（与相同）运动；当m1 m2时，二者相碰后运动的速度方向相反，m1将反向，速度应为负值。2 完全非弹性碰撞将两滑块上的缓冲弹簧取去。在滑块的相碰端装上尼龙扣。相碰后尼龙扣将两滑块扣在一起，具有同一运动速度，即 仍令则有 所以 当m2=m1时，。即两滑块扣在一起后，质量增加一倍，速度为原来的一半。实验内容1.安装好光电门，光电门指针之间的距离约为50cm。导轨通气后，调节导轨水平，使滑块作匀速直线运动。计数器处于正常工作状态，设定挡光片宽度为1.0厘米，功能设定在“碰撞”位置。调节天平，称出两滑块的质量m1和m2。2.完全非弹性碰撞（1）在两滑块的相碰端安置有尼龙扣，碰撞后两滑块粘在一起运动，因动量守恒，即 (2) 在碰撞前，将一个滑块（例如质量为m2）放在两光电门中间，使它静止（），将另一个滑块（例如质量为m1）放在导轨的一端，轻轻将它推向m2滑块，记录。 (3) 两滑块相碰后，它们粘在一起以速度v向前运动，记录挡光片通过光电门的速度v。 (4) 按上述步骤重复数次，计算碰撞前后的动量，验证是否守恒。可考察当m1=m2的情况，重复进行。3.弹性碰撞 在两滑块的相碰端有缓冲弹簧，当滑块相碰时，由于缓冲弹簧发生弹性形变后恢复原状，在碰撞前后，系统的机械能近似保持不变。仍设，则有参照“完全非弹性碰撞”的操作方法。重复数次，数据记录于表中。数据记录1、完全非弹性碰撞数据表 相同质量滑块碰撞： ， ， 次数碰 前碰 后百分偏差（）（）123不同质量滑块碰撞： ， ， 次数碰 前碰 后百分偏差（）（）1232、弹性碰撞数据表不同质量滑块碰撞