物理设计性实验

1、用气垫导轨验证机械能守恒【引言】在物理实验中，由于摩擦力的存在，往往会使误差很大，甚至使某些实验无法进行，若采用气垫导轨等装置，可以大大减少摩擦力，从而使实验的结果更加的准确。气垫技术还可以减少磨损、延长仪器寿命、提高机械效率等。在机械、电子、运输等领域已被广泛应用，如气垫船、空气轴承、气垫输送线等。使用气垫导轨做力学实验可以观察和研究在近似无阻力的情况下物理的各种运动规律。【实验目的】1. 熟悉气轨的构造，掌握气轨的调节。2. 掌握用光电门计时系统测量较短时间及速度、动能等力学量的方法。3. 运用所学知识及实验测量数据验证机械能守恒。【实验原理】气垫导轨整个装置由三部分组成：导轨、滑块和光电

2、子计时装置等组成，装置如图所示。1.导轨 导轨是由一根长约1.5到2.0米的三角形铝管做成的。其中一端用堵头封死，另一端装有进气嘴；可向管腔送入压缩空气。在铝管的两个向上的侧面上，钻有两排等距离、等大小的喷气小孔。当压缩空气进入管腔后，从喷气小孔喷，。从而在滑块与导轨之间形成一层薄薄的空气层（即所谓的“气垫”），使得滑块可以在气轨上做近似无摩擦的运动。在导轨两端还装有缓冲弹簧，使滑块可以在其间沿轨道往返运动。整个导轨通过一系列直立螺杆安装在工字铸铝梁上。在工字梁下面装有三个用来调节导轨水平的螺丝。导轨的倾度还可通过改变垫在底脚螺丝下面的垫块数目来实现。 导轨的一端还可以装上滑轮或气垫“滑轮”。

3、2.滑块 滑块由长约20厘米的角铁或角铝做成，其内表面与导轨的两个侧面精确吻合。当导轨上表面的喷气小孔喷气时，在滑块与导轨间形成很薄的气垫，滑块就“漂浮”在气垫上，可自由滑动。滑块两端装有缓冲弹簧。滑块中部还装有用来测量时间间隔的挡光片、缓冲弹簧和尼龙搭扣。 3光电计时系统 在导轨一侧安装两个位置可以移动的光电二极管，它们分别为两个小聚光灯泡所照亮。光电二极管与触发器相联。光电讯号通过触发器产生合适的脉冲讯号，让频率计开始计时或停止计时。有一种工作情况是这样的：当两个光电二极管都被小聚光灯泡照亮时触发器没有讯号输出，如果任一个小灯泡的光被挡住，触发器就输出一个脉冲讯号，通过屏蔽线输入到频率计的

4、“计”位，频率计就开始计时。此后如果任一个小灯泡(可以是原来的小灯泡，也可以是另外一个)的光又被挡住，触发器就发出第二个脉冲讯号，输入到频率计的“停”位，频率计就停止计时。频率计显示的就是上述两次挡光之间的时间间隔。 可见，整个光电测量系统的基本作用就是测量两次挡光之间的时间间隔。这与停表的作用相似，第一次挡光相当于开动停表，第二次挡光相当于止动停表。 挡光刀片的一端有一透光缺口，整个刀片有四条互相平行的边，将挡光刀片固定在滑块上，使之随滑块一起运动。当刀片随滑块自右向左运动，并经过光电二极管时，刀片的四条边依次经过小灯泡。第一条边经过小灯泡时将光挡住，触发器输出脉冲信号，频率计开始计时；当第

5、三条边经过小灯泡并再次挡住光时，触发器输出第二个脉冲信号，频率计停止计时。于是频率计显示的时间t就是滑块移动距离s所用的时间，s是第一条边与第三条边的间距。 在本实验中，数字毫秒计为MSII型，精度可达0.1ms，电脑计时器为MUJIII型，精度可达0.01ms，均比停表的精度高（10ms）。二、 气轨的水平调节无论在气轨上做哪个实验，在实验前都要将气轨调整成水平状态，才能满足实验的条件，调平一般分为两步进行：1.粗调首先打开气源，给导轨通气，然后将滑块轻轻置于导轨之上，如果发现滑块无论放在什么部位都朝同一个方向运动，说明导轨不平，应该调节导轨下的单脚螺丝（双脚螺丝不要动，单脚螺丝顺时针旋转上

6、升，逆时针旋转下降），直到将滑块放在中间及两端时，滑块静止或总朝着同一个方向运动为止。2.细调将两个光电门置于导轨上相隔较远的（80cm左右）的对称位置上，推动滑块，使之在导轨上来回运动，同时依次记录滑块向一端运动的过程中，先后通过两个光电门时计时器所显示的时间t1、t2(向左的时间)和t3、t4（向右的时间），等等。滑块运动时，由于仍然存在这一定的阻力，从而滑块的运动速度总是越来越慢，故t2-t1，t4 -t3，等等均大于0，而且如果导轨是水平的，则向左运动时的（t2-t1）应等于或略小于向右运动时的（t4 -t3）的值，否则，就要判断哪一端比较高，在通过调节单脚螺丝来达到上述要求。三、验证

7、机械能守恒 验证重力势能与动能的相互转化 只有重力或弹力做功, 或系统的外力和非保守内力做功和为零系统的机械能守恒，在此表现为重力势能的减少量等于动能的增加量。在气轨上，因为空气阻力和摩擦力很小，所以可以忽略空气阻力和摩擦力，近似的认为机械能是守恒的. 本次试验是在倾斜的导轨上进行的，首先测量单脚螺丝与双脚螺丝之间的距离l0，然后将气轨调平，在单脚螺丝的下面垫高为h0的垫子。在理想条件下，滑块从斜面的一端滑下，在斜面上的任意两点应有 12mv12+mgh1=12mv22+mgh2两边同时约去m并移项可得v12-v22=2gh12进行实验时v1、v2可以通过挡光片的宽度和遮光时间计算出来，h12

8、=l12sinh0l0因此在实验中只需测量斜面上两点的速度以及两点在轨道上的距离差，分别计算动能的增量和重力势能的减少量，比较两者在误差范围内是否相等。验证弹性势能与动能的相互转化在只有弹力做功时机械能守恒，即弹性势能的减少量能等于动能的增加量，在气轨上，因为空气阻力和摩擦力很小，所以可以忽略空气阻力和摩擦力，近似的认为机械能是守恒的.通过拉伸法测得轻质弹簧的弹性系数为k。测量的弹簧原长为x0。 将弹簧压在两个滑块之间，同时在滑块间系一根细绳，使弹簧压缩，测得细绳的长度即此时弹簧的长度为x。根据机械能守恒有： 的测量方法和验证重力势能与动能守恒实验相同。【实验仪器】气垫导轨（1.5m长的L-Q

9、G-T型），气源，光电计量系统（数字毫秒计，光电门），滑块一个，游标卡尺，皮尺，垫子若干。【实验内容】1. 在导轨相距较远的对称位置固定两个光电门G1、G2的位置，根据导轨上的尺寸，读出两个光电门之间的距离l12（相距大约在0.4m左右），读至少五次，并记录。2. 用皮尺测量单脚螺丝与双脚螺丝之间的距离l0，测量至少五次，并记录。3. 调节气轨水平及光电计量系统，使它们处于正常工作状态，调节结束后，须经老师的检查，检查合格之后方可进行下一步操作。4. 选取几个垫子，使它们堆放整齐，用游标卡尺测量垫子的总高度h0（大约在0.02m左右），至少测量五次，每次测量选取不同的位置。5. 让滑块从斜面高

10、处滑下（要求从静止释放），测量滑块通过G1、G2的时间t1、t2，记录在表格中，重复试验至少五次。6. 用直尺测量弹簧原长三次，计算平均值x0，在弹簧下吊一个砝码，测量此时弹簧的长度x1，再继续增加一个砝码，测量此时弹簧长度为x2，以此类推，每次分别增加一个砝码，测得五个弹簧长度值，再依次减去一个砝码，测得弹簧长度为xi（i=1,2,3,4,5）根据逐差法求的弹簧弹性系数。7. 将弹簧压在两个滑块之间，同时在滑块间系一根细绳，使弹簧压缩，测得细绳的长度即此时弹簧的长度为x，将滑块静止置于调平衡的气轨上。8. 剪断细绳，两滑块在弹簧作用下向两边运动，通过光电门的时间分别记为t3和t4。将数据记录

11、在表格中，并重复实验至少五次。【数据记录与处理】1.表格l12的长度测次12345l12（cm）l0的测量测次12345离l0（cm） h0的测量测次12345h0(cm)滑块质量m= g, 挡光片间距d= mm测次t1(ms)t2(ms)v1v2v12v22v12-v2212345砝码质量m（）01.002.003.004.005.00增码读数（）减码读数平均读数（）（）测次12345【注意事项】（1）气垫导轨是一种精度较高的现代教学仪器。轨面的直线度，粗糙度，滑行器内角及表面的平面度都有较高要求，切忌振动、重压。严防碰伤和划伤。不允许在不通气的情况下将滑块在轨面上滑磨，关闭气源之前，必须先将滑块取下置于安全之处，若不慎未将滑块去下就关闭气源，应先打开气源，再取下滑快。（2）实验前一定要检查气孔是否通畅，如有小孔被堵塞，滑块运动到该处就会受到影响，甚至会停住不动。如有小孔被堵塞，应该用细钢丝（直径小于05毫米）捅开，接通气源后，须待导轨空腔内气压稳定、喷气流量稳定之后在进行实验。（3）应预先反复练习试做，达到熟练后再正是测量和记录。滑块的运动速度不宜过低，否则当外界因素变化时（如室内气流量不稳、压力不均时，会影响滑行器的运动）。一般