磁懸浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、DHSY-1型磁懸浮動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀動(dòng)力學(xué)根底實(shí)驗(yàn)隨著科技的開(kāi)展，磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用成為技術(shù)進(jìn)步的熱點(diǎn)，例如磁懸浮列午。永磁懸 浮技術(shù)作為一種低耗能的磁懸浮技術(shù)，也受到了廣泛關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)使用的永磁懸浮技術(shù)， 是在磁懸導(dǎo)軌與滑塊兩組帶狀磁場(chǎng)的相互作斥力之下，使磁懸滑塊浮起來(lái)，從而減少了運(yùn) 動(dòng)的阻力，來(lái)進(jìn)行多種力學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以接觸到磁懸浮的物理思想和技術(shù)， 拓寬知識(shí)而，加深牛頓定律等動(dòng)力學(xué)方面的感性知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)儀可構(gòu)成不同傾斜角的斜面，通過(guò)滑塊的運(yùn)動(dòng)可研究勻變速運(yùn)動(dòng)直線(xiàn)規(guī)律，加 速度測(cè)最的誤差消除，物體所受外力與加速度的關(guān)系等?！疽弧繉?shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)導(dǎo)軌的水平調(diào)整，熟悉磁懸導(dǎo)軌和智能速度加

2、速度測(cè)試儀的調(diào)整和使用；2. 學(xué)習(xí)矢量分解；3. 學(xué)習(xí)作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)握勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律：4. 測(cè)量重力加速度g,并學(xué)習(xí)消減系統(tǒng)誤差的方法；5. 探索牛頓第二定律，加深物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所受外力與加速度的關(guān)系：6. 探索動(dòng)縻擦力與速度的關(guān)系?！径繉?shí)驗(yàn)原理1. 瞬時(shí)速度的測(cè)量一個(gè)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的物體，在At時(shí)間內(nèi)，物體經(jīng)過(guò)的位移為$,那么該物體在時(shí)間 內(nèi)的平均速度為sv = Ar為了精確地描述物體在某點(diǎn)的實(shí)際速度，應(yīng)該把時(shí)間取得越小越好，At越小，所求得的平均速度越接近實(shí)際速度。當(dāng)0時(shí)，平均速度趨近于一個(gè)極 限，即v = liniY = lini7這就是物體在該點(diǎn)的瞬時(shí)速度。但在實(shí)驗(yàn)時(shí)，直接用上式

3、來(lái)測(cè)最某點(diǎn)的瞬時(shí)速度是極其困難的，因此，一般在一定誤 差范圍風(fēng)，且適當(dāng)修正時(shí)間間隔見(jiàn)圖5、6,可以用歷時(shí)極短的內(nèi)的平均速度近似地代替瞬時(shí)速度。2. 勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)如圖1所示，沿光滑斜面下滑的物體，在忽略空氣阻力的情況下，可視作勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的速度公式、位移公式、速度和位移的關(guān)系分別為：% = v0 + at1 2s -+ ato 2v2 = Vq + 2as如圖2所示，在斜面上物體從同一位置P處置第一光電門(mén)靜止開(kāi)始下滑，測(cè)得在不 同位置打,許，P2處置笫二光電門(mén),用智能速度加速度測(cè)試儀測(cè)量, , 12 和速度為v0, yx, v2o以F為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)作v-t圖，如果圖線(xiàn)是一

4、條直線(xiàn), 那么證明該物體所作的是勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其圖線(xiàn)的斜率即為加速度，截距為。同樣取作圖和v2-j圖，假設(shè)為直線(xiàn)，也證明物體所作的是勻變 速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，兩圖線(xiàn)斜率分別為丄a和2d,截距分別為和處。物體在磁懸浮導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力和磁場(chǎng)的不均勻性對(duì)小車(chē)可產(chǎn)生作用力，對(duì)運(yùn)動(dòng)物 體有些阻力作用，用耳來(lái)表示，即Ff =mafyaf作為加速度的修正值。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，把磁 懸浮導(dǎo)軌設(shè)置成水平狀態(tài)，在滑塊放到導(dǎo)軌中，用手輕推一下滑塊，讓其以一定的初速度 從左在斜面狀態(tài)時(shí)的高端到右運(yùn)動(dòng)，依次通過(guò)光電門(mén)I和II,測(cè)出加速度值竹。重 復(fù)屢次，用不同力度，推動(dòng)一下滑塊，測(cè)出其加速度值幻，比擬每次測(cè)量的結(jié)果，查看 有何觀

5、律。半均測(cè)量結(jié)果竹，得到滑塊的阻力加速度。3系統(tǒng)質(zhì)量保持不變，改變系統(tǒng)所受外力，考察動(dòng)摩擦力的大小，及其與外力F的 關(guān)系。考慮到滑塊在磁懸浮導(dǎo)軌中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其所受阻力用尸/來(lái)表示。根據(jù)力學(xué)分析滑塊 所受的力ma = mgFj那么有：Ff = nig sni0-ma(5)用重力加速度g=OnVs2,及小午質(zhì)量，通過(guò)測(cè)最不同軌道角度&時(shí)的滑塊加速度 值可以求得相應(yīng)的動(dòng)原擦力大小。將耳與F的值作圖，可以考察行與F的關(guān)系。4.重力加速度的測(cè)定，及消減導(dǎo)軌中系統(tǒng)誤差的方法令= ma f ,那么有：(7)(8)(9)a = gsinO-a f式中竹作為與動(dòng)摩擦力有關(guān)的加速度修正值。碼= gsinq_d/a

6、2 = gsm02-af2= gsin&3 一竹3根據(jù)前面得到的動(dòng)摩擦力F/與F的關(guān)系可知，在一定的小角度范圍內(nèi)，滑塊所受到 動(dòng)摩擦力耳近似相等，且VV7gS1110,即由(7) (8) (9)式可得到:一a2Cll.sin$ -sinq=勺一 2.(10)sin sin。？5系統(tǒng)質(zhì)量保持不變，改變系統(tǒng)所受外力，考察加速度。和外力F的關(guān)系根據(jù)牛頓第二定理F = ma. a = -F,斜面F = Gsin&,故：m如圖1所示，設(shè)置不同的角度厲、&2、的斜面，測(cè)出物體運(yùn)動(dòng)的加速度心宀作a-F擬合直線(xiàn)圖，求出斜率k, =丄，即可求得加=3。 mk【三】實(shí)驗(yàn)裝置磁懸浮原理1、磁懸浮原理：磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置

7、如圖3所示，磁懸浮導(dǎo)軌實(shí)際上是一個(gè)槽軌，長(zhǎng)約 1.2米，在槽軌底部中心軸線(xiàn)嵌入枚鐵硼NdFeB磁鋼，在其上方的滑塊底部也恢入磁鋼，形 成兩組帶狀磁場(chǎng)。宙于磁場(chǎng)極性相反，上下之間產(chǎn)生斥力，滑塊處于非平衡狀態(tài)。為使滑 塊懸浮在導(dǎo)軌上運(yùn)行，采用了槽軌。在導(dǎo)軌的基板上安裝了帶有角度刻度的標(biāo)尺。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，可把導(dǎo)軌設(shè)置成不同角 度的斜而。I II&基板9計(jì)時(shí)器圖3磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置3磁浮導(dǎo)敢圖4磁懸浮導(dǎo)軌截而圖圖4磁懸浮導(dǎo)軌截而圖2. 儀器使用計(jì)時(shí)器按模式0功能進(jìn)行操作見(jiàn)附件：每條導(dǎo)軌配有三個(gè)滑塊，用來(lái)研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律。每個(gè)滑塊上有二條擋光片，滑塊在槽軌 中運(yùn)動(dòng)時(shí)，擋光片對(duì)光電門(mén)進(jìn)行擋光，每擋光一次，光電轉(zhuǎn)換

8、電路便產(chǎn)生一個(gè)電脈沖訊號(hào), 去控制計(jì)時(shí)門(mén)的開(kāi)和關(guān)即計(jì)時(shí)的開(kāi)始和停止。導(dǎo)軌上有兩個(gè)光電門(mén)，本光電測(cè)試儀測(cè)定并存貯了運(yùn)動(dòng)滑塊上的二條擋光片通過(guò)第 一光電門(mén)的時(shí)間間隔和通過(guò)第二光電門(mén)的時(shí)間間隔運(yùn)動(dòng)滑塊從第一光電門(mén)到第二 光電門(mén)所經(jīng)歷的時(shí)間間隔根據(jù)倆擋光片之間的距離參數(shù)即可運(yùn)算出滑塊上兩擋光 片通過(guò)第一光電門(mén)時(shí)的平均速度V =竺和通過(guò)第二光電門(mén)時(shí)的半均速度V =竺。1 M調(diào)整導(dǎo)軌和基板之間成一夾角，那么實(shí)驗(yàn)儀成一斜面，斜面傾斜角即為0,其正弦值 sin&為塊規(guī)高度h和導(dǎo)軌標(biāo)尺讀數(shù)L的比值，磁浮滑塊從斜面上端開(kāi)始下落，那么其 重力在斜而方向分量為GsinO。圖5圖6為使測(cè)得的半均速度更接近擋光片中心處通

9、過(guò)時(shí)的瞬時(shí)速度，本儀器在時(shí)間處理上已 作圖6處理，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀中，從Vi增加到V2所需時(shí)間已修正為丄0+丄匚。2 1 2 -根據(jù)測(cè)得的_、&2、At和鍵入的擋光片間隔Ay值，經(jīng)智能測(cè)試儀運(yùn)算已顯示，得片、V2，測(cè)試儀中顯示的心，心，心對(duì)應(yīng)上述的&1、&2、At o【四】實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 檢査磁懸浮導(dǎo)軌的水平度，檢査測(cè)試儀的測(cè)試準(zhǔn)備把磁浮導(dǎo)軌設(shè)置成水平狀態(tài)。水半度調(diào)整有二種方法：1把配置的水半儀放在磁浮 導(dǎo)軌槽中，調(diào)整導(dǎo)軌一端的支撐腳，使導(dǎo)軌水平。2把滑塊放到導(dǎo)軌中，滑塊以一定的 初速度從左到右運(yùn)動(dòng)，測(cè)出加速度值，然后反方向運(yùn)動(dòng)，再次測(cè)出加速度值，假設(shè)導(dǎo)軌水 平，那么左右運(yùn)動(dòng)減速情況相近，即測(cè)量的a

10、相近。檢査導(dǎo)軌上的第一光電門(mén)和第二光電門(mén)有否與測(cè)試儀的光電門(mén)1和光電門(mén)2相聯(lián)，開(kāi) 丿占電源，檢査測(cè)試儀中數(shù)字顯示的參數(shù)值是否與光電門(mén)檔光片的間距參數(shù)相符，否那么必須 加以修正，修正方法請(qǐng)參見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)附錄，并檢査“功能是否置于“加速度。2. 勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究調(diào)整導(dǎo)軌成如圖2所示的斜面，傾斜角為& 不小于2為宜。將斜而上的滑塊每次從同一位置處P由靜止開(kāi)始下滑，光電門(mén)I位置于兒，光電門(mén)II分別置于人，p2 處，用智能速度加速度儀測(cè)MAr0, 】，Ar2和速度為,勺，v2:依次記 錄P。，片，的位置和速度, , v2及由P。到片的時(shí)間“，列表記錄所有數(shù)據(jù)。3重力加速度g的測(cè)量?jī)晒怆婇T(mén)之間距離固定為$

11、。改變斜面傾斜角0,滑塊每次由同一位置滑下，依次經(jīng) 過(guò)兩個(gè)光電門(mén)，記錄其加速度，由式6或10計(jì)算加速度g,跟當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭杯 相比擬，并求其百分誤差。4.系統(tǒng)質(zhì)量保持不變，改變系統(tǒng)所受外力，考察加速度。和外力F的關(guān)系稱(chēng)量滑塊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值山，利用上一內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同傾斜角時(shí)，系統(tǒng)所受m即可求得心比擬加和加標(biāo)，并求其百分誤差。外力F = b.gsin&,根據(jù)式9作a-F擬合直線(xiàn)圖，求出斜率k,六、數(shù)據(jù)記錄及處理1.勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的研究數(shù)據(jù)記錄表如下供參考:PQ = Av = 0 =1P,Si=R-Po$0v0123456分別作直線(xiàn)v-t圖線(xiàn)和巴-f圖線(xiàn)，假設(shè)所得均為直線(xiàn)，那么說(shuō)明滑塊作勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng), t由直線(xiàn)斜率與截距求出G與,將仏與上列數(shù)據(jù)表中珂比擬，并加以分析和討論。2.重力加速度g的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表格如下供參考：5 = 52 =10singSt123451根據(jù)gj =蘭二分別算出每個(gè)傾斜角度下的重力加速度g廠(chǎng)sin。2計(jì)算測(cè)得的重力加速度的平均值0,與本地區(qū)公認(rèn)值相比擬，求出E =弘 xlOO% og標(biāo)3. 系統(tǒng)質(zhì)量保持不變，改變系統(tǒng)所受外力，考察加速度“和外力F的關(guān)