气垫导轨实验讲义.doc

实验 气垫导轨实验【实验目的】1观察匀速直线运动，测量滑块的运动速度。2学习使用气垫导轨和存储式数字毫秒计。3. 验证等质量物体作弹性碰撞时动量守恒【实验原理】1测量滑块运动的瞬时速度物体做直线运动时，其瞬时速度定义为： (1)根据这个定义瞬时速度实际上是不可能测量的。因为当Dt0时，同时有DS0，测量上有具体困难。我们只能取很小的Dt及相应的DS，用其平均速度来代替瞬时速度V，即 (2)尽管像这样用平均速度代替瞬时速度会产生一定误差，但只要物体运动速度较大而加速度又不太大，这种误差也不会太大。 2. 测量滑块运动的加速度a图1 滑块下滑示意图如图1所示，如果将气垫导轨的一端垫高，形成斜面，滑块下滑时将作匀变速直线运动，有三个基本运动公式： （3） (4) (5)式中s0和s以及V0和V分别为t0和t时刻滑块的位置坐标和相应的瞬时速度。在实验中使用的毫秒计只能从t00时刻开始计时，所以运动方程变为： (6) (7) (8)此时t为滑块从s0处到s处的运动时间，Sss0为两光电门之间的距离。实验时，使滑块由导轨最高端（或某一固定位置）静止自由下滑，即可测得不同位置s0、s1、s2处各自相应的速度和加速度值，如图22。图2 位置和速度对应图3.动量守恒定律：当外力为零时，一物体系的总动量保持恒定。两个在一直线上运动的物体，若它们的质量分别为和，在水平方向不受外力的情况下发生碰撞，碰撞前的运动速度为和，碰撞后的运动速度为和，则有：【实验装置】气垫导轨是一种阻力极小的力学实验装置，它是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簿的气膜，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，利用气垫导轨可以观察和研究在近似无阻力的情况下物体的各种运动规律。极大地减少了力学实验中由于摩擦力而出现的较大的误差，使实验结果接近理论值，实验现象更加真实、直观。1. 导轨导轨（如图3）是一根固定在钢架上的三角形金属空腔管，再空腔管的侧面钻有数排等距离的小孔。空腔管的一端封闭，另一端通过塑料管与气泵相连。气泵将压缩空气送入空腔管后，再从小孔高速喷出，在导轨上安放滑块；在导轨下装有调节水平用的低脚螺丝和用于测量光电门位置的标尺。图 3 图 42、滑块滑块由直角形铝板制成，其内表面可以与导轨的两个侧面密合。当气流从导轨上的小孔中高速喷出时，在滑块和导轨之间形成很簿的空气层，使滑块悬浮在导轨上，故此滑块可以在导轨上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，与光电门和计数器相配合，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）、弹性碰撞器（弹簧）、非弹性碰撞器（尼龙搭扣）等配件，用于完成不同的实验。3、光电测量系统光电测量系统由光电门和电脑通用计数器组成。其结构和测量原理如图（4）所示。当滑块从光电门旁经过时，安装其上方的挡光片穿过光电门，从发射器射出的红外线被挡光片遮住而无法照到接收器上，此时接收器产生一个脉冲信号。在滑块经过光电门旁的整个过程中，挡光片两次挡光，则接收器共产生两个脉冲信号，计数器将测出两个脉冲信号之间的时间间隔。如果预先决定了挡光片的宽度，即挡光片两翼的间距，则可求得滑块经过光电门是的速度。【实验内容与步骤】1检查光电门及数字毫秒计处于正常工作状态，给气垫导轨通气。2观察匀速直线运动测量速度轻轻推动滑块，观察滑块在气轨上的运动，包括和气轨两端的缓冲弹簧的碰撞情况。分别记下滑块经过两个光电门时的速度V1和V2，试比较V1和V2的数值，若V1和V2之间的差别小于V1（或V2）的1时，则导轨接近水平，此时可近似认为滑块作匀速直线运动；若V1和V2相差较大，可通过调节导轨底座螺钉使导轨水平。3测量滑块在倾斜导轨上作匀加速直线运动时任一位置处的瞬时速度V。（1）在倾斜导轨上任一位置处放置一光电门。（2）使滑块从导轨最高处（或某一固定位置）静止自由下滑，由存储式数字毫秒计测出滑块经过光电门的速度，至少反复五次，取平均值，将数据填入表格1；（3）改变滑块的位置，再自由释放，然后重复步骤（2）4加速度的测量（1）在倾斜气轨上任意两个位置处放置两个光电门。（2）使滑块从导轨最高处（或某一固定位置）静止自由下滑，由存储式数字毫秒计测出滑块在两个光电门之间经过时的加速度a，至少重复五次，取平均值。（3）改变滑块位置，再自由释放，然后重复步骤（2）。将数据填入表2。5. 验证等质量物体作弹性碰撞时动量守恒(装置如图5所示.)图 5（1）在两滑块上装好弹性碰撞器。将导轨调成水平状态。（2）将两个质量相等(即可认为两者相等.)的滑块放置在导轨上.令滑块A静止,给滑块B以一定的初速度向A移动.两滑块碰撞后,滑块B静止, 滑块A以速度运动.(此时光电门应如何如放置,才能保证测量误差较小?)（3）逐次改变滑块B的初速度,重复上一步实验.（4）计算滑块碰撞前后的动量,验证动量守恒定律.【数据记录及处理】表1表2表3速度次数V1