氣墊導軌實驗講義

1、實驗三氣墊導軌上的實驗在物理實驗中，由于摩擦的存在，導致誤差往往很大，甚至使某些實驗無法進行。若采用氣墊導軌等裝置，可使這一問題得以較好的解決，氣墊技術(shù)還可以減少磨損、延長儀器壽命提高機械效率。在機械、電子、運輸?shù)阮I(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，如氣墊船、空氣軸承，氣墊輸送線等。使用氣墊導軌做力學實驗可以觀察和研究在近似無阻力情況下物體的各種運動規(guī)律。 一、實驗?zāi)康?1熟悉氣墊導軌的構(gòu)造和調(diào)整使用方法； 2掌握用光電計時裝置測量速度、加速度；3驗證動量守恒定律；4深入了解完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞的特點。二、儀器與用具 氣墊導軌裝置、數(shù)字毫秒計、砝碼等 三、實驗原理如圖3-1所示，氣墊導軌處于水平，在滑塊

2、的一端系一條細線，繞過氣軌一端的滑輪后系一重物，由滑塊、托盤和砝碼構(gòu)成的運動系統(tǒng)在重力作用下作直線加速運動。 圖3-1 氣墊導軌示意圖1、速度、加速度的測量：在導軌上相距的兩處放置二光電門，若測得此系統(tǒng)在重力作用下，滑塊通光電門時的速度分別為、則系統(tǒng)的加速度為 （3.1）在滑塊上放置一中間有方孔(或缺口)的擋光片，使方孔正好在光電管前通過，用數(shù)字毫秒計S2檔測出滑塊和擋光片在光電門中通過時，二次擋光的時間間隔,則可得到該小間隔的平均速度,為擋光片二前沿間距離。因較小，則可認為此平均速度為擋光片二前沿的中點通過光電門時，滑塊的即時速度。只要測出了擋光片通過二光電門的時間間隔和，則可得對應(yīng)的速度為

3、 （3.2）從（3.1）、（3.2）兩式可解得運動系統(tǒng)的加速度為1 / 10 （3.3）動量守恒定律指出，如果一力學系統(tǒng)所受外力的矢量和為零，則系統(tǒng)的總動量保持不變，若系統(tǒng)上某一方向上所受合外力為零，則系統(tǒng)在該方向上的總動量將保持不變(即分動量守恒)。 2、碰撞在本實驗中，利用氣墊導軌上兩滑塊的對心碰撞來驗證動量守恒定律如圖3-1所示，若忽略滑塊與導軌之間的摩擦力，則質(zhì)量分別為和的兩滑塊之間在水平方向只受互相碰撞的作用內(nèi)力，因而碰撞前后的總動量保持不變，若以、，、分別表示它們碰撞前后的速度，則由動量守恒定律，在碰撞方向上有 (3.4) （1） 完全彈性碰撞 在完全彈性碰撞中，碰撞前后不僅系統(tǒng)的

4、動量守恒，而且機械能也守恒，實驗時，在兩滑塊的相碰端裝上彈簧片，當兩滑塊相碰時，彈簧片發(fā)生彈性形變后迅速恢復(fù)原狀，并將滑塊彈開，系統(tǒng)的機械能近似沒有損失，即兩滑塊的總動能不變，則有 (3.5)當時，由(3.4)與(3.5)兩式解得 (3.6) (3.7) 如果,則，.（2） 完全非彈性碰撞 在兩滑塊的相碰面上粘上橡皮泥(或尼龍粘膠帶)，碰撞后兩滑塊粘在一起以同一速度運動，即可實現(xiàn)完全非彈性碰撞，此時(3.4)式變?yōu)?(11.8) 當v20=0時，由上式可得 (11.9) 四、實驗內(nèi)容 （一）儀器的調(diào)整 1光電計時系統(tǒng)的調(diào)整。將數(shù)字毫秒計的“光控”信號輸入端和二光電門相聯(lián)，并選用S2、檔；檢查光

5、電門是否正常工作。 2軌道調(diào)平。(1)粗調(diào)：把二光電門置于導軌中部，相距，離軌端距離大致相同。打開氣源，放上滑塊，調(diào)節(jié)底腳螺絲，直至滑塊在氣軌上不再自由滑動。(2)細調(diào)：將滑塊從導軌左端輕推一下，測其通過電門的時間、，調(diào)節(jié)底腳螺絲，使二者盡量接近；又從右端推一下滑塊，測出擋光時間和，同樣調(diào)節(jié)使二者盡量接近(一般略大于)，直至和、和之間的相對差異小于，則可認為導軌的水平已調(diào)好。 3測出二光電門的距離S,并用游標卡尺測量擋光片上的二前沿間的距離。（二）水平拉力法 將細尼龍線的一端系在滑塊上，另一端繞過滑輪后掛一砝碼盤，將10克砝碼加在滑塊上。將滑塊置于第一光電門外側(cè)約10厘米處(每次都必須在同一起

6、始位置)，松開滑塊，測出通過二光電門的時間間隔和(要適當調(diào)節(jié)“延時調(diào)節(jié)”使測量之前儀器自動復(fù)零)。重復(fù)測5次后取和的平均值。 （三）碰撞中的守恒定律。 1完全彈性碰撞 (1)打開氣源，調(diào)平氣墊導軌，檢查光電系統(tǒng)(選擇S2、檔)使之能正常。(2)取帶有緩沖彈簧的兩滑塊稱出其質(zhì)量和，并將放在兩光電門中間，使其靜止()，滑塊放在導軌一端，將其輕輕推向，記下經(jīng)過光電門I時的時間間隔。如圖3-1所示，兩滑塊相碰后，以速度、以速度向前運動。記下滑塊與經(jīng)過光電門時的時間和 (注意在滑塊經(jīng)過光電門后，應(yīng)使其靜止于軌端，并使記時顯示迅速復(fù)零，以免影響的測量。重復(fù)上述測量35次。 (3)從以上各次測量結(jié)果計算碰撞

7、前后的動量及二者之比值，求各比值的平均值，驗證碰撞前后的動量是否守恒 2完全非彈性碰撞 (1)保持氣墊導軌水平，在兩滑塊的相碰端粘上橡皮泥(或尼龍膠帶)，稱出兩滑塊的和。 (2)將靜止于兩光電門之間，將放在導軌一端輕輕推動去碰撞，測量碰撞前后的速度，重測35次。 (3)計算各次碰撞前后的動量及其比值，求出比值的平均值，驗證動量守恒。 3求上述兩種碰撞條件下的恢復(fù)系數(shù)。4參考表格： 擋光片兩前沿間距=_()； 滑快質(zhì)量=_（）重物質(zhì)量=_（） 水平拉力法 兩光電門 間 距()12345平均12345平均S1 “驗證動量守恒定律：種類次數(shù)完全彈性碰撞12345完全非彈性碰撞12345五、注意事項1

8、 要特別注意氣墊導軌的保護和保養(yǎng)以及數(shù)字毫秒計的正確使用，請認真閱讀附錄。 2 兩滑塊碰撞時，盡量使碰撞點在兩滑塊質(zhì)心的連線上，以減少滑塊震動。六、思考與問答 1使用氣墊導軌要注意哪些問題，如何調(diào)平氣墊導軌? 2如何選擇擋光片的距離？過大或過小對速度的測量各有什么影響? 3如何驗證牛頓第二定律？設(shè)計一具體步驟及方案。 附錄 : 氣墊導軌 氣墊導軌是一種力學實驗儀器。它利用從導軌表面小孔噴出的壓縮空氣，在滑塊與導軌面之間形成很薄的氣墊，將滑塊浮起。這樣，滑塊運動時的接觸摩擦力可以略去不計，僅僅只有小得多的空氣的粘滯力和周圍空氣的阻力，因此就極大的減少了力學實驗中難于克服的摩擦力的影響，使實驗效果

9、大為提高。 在氣墊導軌上可以進行很多力學實驗，如速度、加速度的測量、牛頓第二定律的驗證、動量守恒定律的驗證 、諧振動研究等等。 一導軌裝置的構(gòu)造 氣墊導軌裝置的構(gòu)造如圖3-1所示 1導軌 導軌是由長1.21.5的角鋁合金制成導軌面上均勻分布著直徑約的噴氣孔，導軌的一端裝有進氣孔、另一端裝有滑輪，兩端內(nèi)側(cè)都裝有緩沖彈簧，整個導軌安裝在工字鋼梁上。 2光電門(或探頭) 它由小燈泡和光敏管組成，利用光敏管受光照和不受光照時電勢的變化，產(chǎn)生電脈沖來控制數(shù)字毫秒計的“計”和“?！?，進行計時。 3滑塊 用角型鋁材制成，其兩側(cè)內(nèi)表面和導軌面精確吻合，兩端裝有緩沖器，其上可以加裝擋光片、附加重物等，以供各種不

10、同實驗的需要。 4調(diào)節(jié)螺釘與墊塊 導軌的一端是單腳螺釘，另一端是雙腳螺釘，主要供調(diào)節(jié)導軌水平使用，墊塊用來改變氣墊導軌的斜度。根據(jù)要求可將不同尺寸的墊塊放在導軌單腳螺釘下得到不同斜度的斜面。一般滑塊被托起的高度約為10100 5標尺 固定在導軌一側(cè)，在定位窗上可讀出光電門的位置。 二氣源 用橡皮管將氣墊導軌的進氣嘴與氣源相連，并用開關(guān)進行控制。壓力穩(wěn)定、消振、消音而又清潔的空氣進入導軌內(nèi)，由導軌表面上的小孔噴出。 三、注意事項 1為了保持氣軌表面的平直度和光潔度，不允許用其它東西敲、碰導軌表面。也要注意不要碰倒光電門。 2滑塊的內(nèi)表面光潔度高，應(yīng)嚴防劃傷、碰壞，更不允許將滑塊掉在地上，滑塊與導

11、軌配套使用，不得任意換用。導軌在不通氣時，不要將滑塊放在導軌上來回滑動，變動遮光板在滑塊上的位置時，應(yīng)將滑塊從導軌上拿下，待固定好遮光板后再把滑塊放在導軌上。 3導軌面上的噴氣孔很小，應(yīng)在供氣后用薄的小紙條檢查是否有堵塞，如發(fā)現(xiàn)堵塞，必須用細鋼絲仔細通一下。 4進行實驗時，兩光敏管都應(yīng)處于光照狀態(tài)。 5在實驗過程中，不得任意移動導軌的位置。6實驗前必須用紗布沾少許酒精擦洗導軌表面和滑塊內(nèi)表面。實驗結(jié)束后，勿將滑塊久放在導軌上，以免導軌表面拉傷，所有附件都應(yīng)放入附件盒，用塑料套把導軌蓋好。實驗四 弦振動的研究兩列振幅相等的相干波，在同一直線上沿相反方向傳播時，疊加形成駐波，駐波是波的干涉現(xiàn)象中的

12、一種重要現(xiàn)象。它在聲學、光學、無線電工程和檢測技術(shù)等方面都有廣泛的應(yīng)用，利用駐波現(xiàn)象可以測量波長、波速和頻率。一、實驗?zāi)康?1觀察弦振動時形成的駐波； 2學會一種測量弦線上橫波傳播速度的方法； 3用作圖法驗證弦振動基頻與張力的關(guān)系。 二、儀器與用具 電動音叉、滑輪、米尺、砝碼、尼龍細線、分析天平等 三、實驗原理1弦線上橫波傳播的速度 將細弦的一端固定在電振音叉上，另一端系上砝碼盤繞過滑輪，當音叉振動時，強迫弦線振動，弦振動頻率應(yīng)當和音叉的頻率相等，若適當調(diào)節(jié)砝碼，可在弦上出現(xiàn)明顯穩(wěn)定的駐波，即弦與音叉共振，設(shè)駐波波長為,則弦線上橫波傳播的速度等于 (4.1)又從力學理論可知：在線密度為，張力為

13、的弦線上，橫波傳播的速度為 (4.2)2弦振動規(guī)律 將(4.1)式代入(4.2)式，可得 (4.3) 設(shè)弦線長為,振動時弦上的半波數(shù)為,則 ，即，將此式代入(4.3)式，得 (4.4) 上式表明對于線密度、長度和張力一定的弦，其自由振動時的頻率不只一個，而是包圖4 弦振動原理括相當于=1、2、3、的、等多種頻率，=1的頻率稱為基頻，=2、3的頻率稱為第一、第二諧頻，但基頻較其它諧頻強得多，因此它決定弦的頻率，而各諧頻則決 定它的音色當弦線在頻率為的音叉策動下振動時，適當改變T、L和，則可能和強迫力發(fā)生共振的不一定是基頻，而可能是第一、第二、第三、諧頻，但根據(jù)(4.4)式，可能此時的基頻等于，即

14、： (4.5)兩側(cè)取對數(shù)，得： （4.6）上式表明在 與、之間存在線性關(guān)系，本實驗將分別驗證這一關(guān)系。 四、 實驗內(nèi)容 1弦的基頻與弦長的關(guān)系 （1）按圖41安裝好儀器(弦線長約1.2),在砝碼盤上加適當砝碼，調(diào)節(jié)觸頭使音叉振動后將固定螺母旋緊(否則可能會停振)。 （2）移動音叉改變弦線的長度，使弦上出現(xiàn)=5、4、3、2、1的穩(wěn)定的、振幅最大的駐波，測出各值對應(yīng)的弦線長，對每個值重復(fù)測五次。 （3）記下砝碼(包括托盤)的質(zhì)量，在此部分實驗中砝碼質(zhì)量保持不變。 （4）用音叉頻率除以駐波數(shù)求出各值的基頻，作-圖線，驗證其斜率為-1。 2弦的基頻與張力的關(guān)系 （1）保持弦長不變，仔細調(diào)節(jié)砝碼質(zhì)量，使弦線上的出現(xiàn)5、4、3、2、1個穩(wěn)定振且幅最大的半波，分別記錄砝碼(包括砝碼盤)的質(zhì)量，再乘以重力加速度g即為弦線中的張力。 （2）用音叉頻率除以值求出各值對應(yīng)的基頻。 （3）作-圖線驗證其斜率為。 3就實驗中某一組、值，代入(4.4)式計算弦振動的頻率，并將其和音叉振動的頻率作比較。4.參考表格砝碼連托盤