气垫上的直线运动.docx

物理仿真实验报告姓名：卢波 学号：2120505040班级：计算机22班气垫上的直线运动-实验简介 伽利略（Galileo, 15641642）是第一个对自由落体运动进行定量研究的科学家。为了将匀加速运动与自由落体运动联系起来，他指出，物体沿斜面的运动与物体竖直下落的运动具有相似的特征。本实验的目的是利用气垫技术精确的测定物体的平均速度、瞬时速度、加速度以及当地的重力加速度，通过物体沿斜面自由下滑运动来研究匀变速运动的规律和验证牛顿第二定律。 实验原理：1.平均速度和瞬时速度的测量做直线运动的物体在 时间内的位移为 ，则物体在 时间内的平均速度为(1)当 时，平均速度趋近于一个极限，即物体在该点的瞬时速度。我们用 来表示瞬时速度，(2)实验上直接用上式测量某点的瞬时速度是很困难的，一般在一定误差范围内，用极短的 内的平均速度代替瞬时速度。2.匀速直线运动若滑块受一恒力，它将做匀变速直线运动，可采用在导轨一端加一滑轮，通过滑轮旋一重物在滑块上，也可以把气垫导轨一端垫高成一斜面来实现。采用前者可改变外力，不但可测得加速度，还可以验证牛顿第二定律。采用后者，因在测量过程中受外界干扰较小，测量误差较小，在测量加速度的基础上，还可以测量当地的重力加 速度。匀变速运动方程如下：(3)(4)(5)在斜面上物体从同一位置由静止开始下滑，若测得不同位置处的速度为 相应的时间为 以 为横坐标， 为纵坐标作 图，如果图线是一条直线，证明物体作匀加速直线运动，图线的斜率为加速度 ,截距为 。同样把 对应处的 测出，作 图和 图，若图线是直线，则物体作匀加速直线运动，斜率分别为 和 ，截距分别为 和 。3.重力加速度的测定如图1所时，h为垫块的高度，L为斜面长，滑块沿斜面下滑的加速度为(6)(7)图1导轨垫起的斜面4.验证牛顿第二定律设运动物体的总质量为 ，作用力为 ，假设其他耗散力如摩擦力、空气阻力、气垫粘滞力可忽略不计，这时牛顿第二定律可表示为(8)若保持 不变，改变 ， 应为一常量，即 增大， 同时增大； 减小， 同时减小。若保持 不变，改变 ，则 应为一常量，即增加 ， 即减小。因此，只要在实验中满足上述条件，即可验证牛顿第二定律。 实验内容：气垫上的直线运动-实验内容 1匀变速运动中速度与加速度的测量（1） 先将气垫导轨调平，然后在一端单脚螺丝下置一垫块，使导轨成一斜面。（2） 在滑块上装上U型挡光片，在导轨上置好光电门，打开计时装置。（3） 使滑块从距光电门 处自然下滑，做初速度为零的匀加速运动，记下挡光时间 ，重复三次。（4） 改变s，重复上述测量。（5） 测量 ，垫块高h及斜面长L。（6） 用最小二乘法对 进行直线拟合，并求出标准误差。（7） 用坐标纸作 曲线，求 ，与最小二乘法所得结果进行比较，并计算g。2验证牛顿第二定律将垫块取出，时导轨处于水平状态。用细线将砝码盘通过滑轮与滑块相连。若滑块质量为 ，砝码盘和盘中砝码的质量为 ，滑轮等效质量 （约为0.30g），砝码盘、盘中砝码和滑块上的砝码的总质量为 ，则此时牛顿第二定律方程为(9)改变 ，使 分别为2.00g、4.00g、6.00g、8.00g、10.00g时（每次剩余砝码要放在滑块上），测量在不同力的作用下，通过光电门的瞬时速度 ，再由 ，求出 。作 曲线，由斜率求出物体的总质量。实验器材：主要由气轨、气源、滑块、挡光片、光电门、游标卡尺、米尺和光电计时装置等。运用本实验仪器可做多种实验，比如平均速度和瞬时速度、匀速直线运动的研究、牛顿第二定律的验证、完全非弹性碰撞、非完全弹性碰撞、重力势能与平动动能等。气垫导轨是以空气作为润滑剂，近似无摩擦的力学实验装置。导轨由优质三角铝合金管制成，长约 2m，斜面宽度约7cm，管腔约18.25cm，一端密封，一端通入压缩空气。铝管向上的两个外表面钻有许多喷气小孔，压缩空气进入管腔后，从小孔喷出。导轨的一端装有滑轮，导轨的二端装有缓冲弹簧，整个导轨安装在工字梁上，梁下有三个支脚，调节支脚螺丝使气垫保持水平。滑块采用特制的带有五条细螺纹槽的人字型铝合金，便于安装各种附件，下表面与气轨相吻合，碰撞中心在质心平面内。挡光片的结构分长方型和U型两种。光电计时系统由光电门和数字毫秒计或电脑计时器构成。光电门安装在气轨上，时间由数字毫秒计或电脑计时器测量。气源是向气垫导轨管腔内输送压缩空气的设备。要求气源有气流量大、供气稳定、噪音小、能连续工作的特点，一般实验室采用小型气源，气垫