物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

1、用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒【引言】在物理實(shí)驗(yàn)中，由于摩擦力的存在，往往會(huì)使誤差很大，甚至使某些實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行，若采用氣墊導(dǎo)軌等裝置，可以大大減少摩擦力，從而使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更加的準(zhǔn)確。氣墊技術(shù)還可以減少磨損、延長(zhǎng)儀器壽命、提高機(jī)械效率等。在機(jī)械、電子、運(yùn)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(dǎo)軌做力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以觀察和研究在近似無(wú)阻力的情況下物理的各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 熟悉氣軌的構(gòu)造，掌握氣軌的調(diào)節(jié)。2. 掌握用光電門計(jì)時(shí)系統(tǒng)測(cè)量較短時(shí)間及速度、動(dòng)能等力學(xué)量的方法。3. 運(yùn)用所學(xué)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)械能守恒?！緦?shí)驗(yàn)原理】氣墊導(dǎo)軌整個(gè)裝置由三部分組成：導(dǎo)軌、滑塊和光電

2、子計(jì)時(shí)裝置等組成，裝置如圖所示。1.導(dǎo)軌 導(dǎo)軌是由一根長(zhǎng)約1.5到2.0米的三角形鋁管做成的。其中一端用堵頭封死，另一端裝有進(jìn)氣嘴；可向管腔送入壓縮空氣。在鋁管的兩個(gè)向上的側(cè)面上，鉆有兩排等距離、等大小的噴氣小孔。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入管腔后，從噴氣小孔噴，。從而在滑塊與導(dǎo)軌之間形成一層薄薄的空氣層（即所謂的“氣墊”），使得滑塊可以在氣軌上做近似無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)軌兩端還裝有緩沖彈簧，使滑塊可以在其間沿軌道往返運(yùn)動(dòng)。整個(gè)導(dǎo)軌通過(guò)一系列直立螺桿安裝在工字鑄鋁梁上。在工字梁下面裝有三個(gè)用來(lái)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平的螺絲。導(dǎo)軌的傾度還可通過(guò)改變墊在底腳螺絲下面的墊塊數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)。 導(dǎo)軌的一端還可以裝上滑輪或氣墊“滑輪”。

3、2.滑塊 滑塊由長(zhǎng)約20厘米的角鐵或角鋁做成，其內(nèi)表面與導(dǎo)軌的兩個(gè)側(cè)面精確吻合。當(dāng)導(dǎo)軌上表面的噴氣小孔噴氣時(shí)，在滑塊與導(dǎo)軌間形成很薄的氣墊，滑塊就“漂浮”在氣墊上，可自由滑動(dòng)?；瑝K兩端裝有緩沖彈簧?；瑝K中部還裝有用來(lái)測(cè)量時(shí)間間隔的擋光片、緩沖彈簧和尼龍搭扣。 3光電計(jì)時(shí)系統(tǒng) 在導(dǎo)軌一側(cè)安裝兩個(gè)位置可以移動(dòng)的光電二極管，它們分別為兩個(gè)小聚光燈泡所照亮。光電二極管與觸發(fā)器相聯(lián)。光電訊號(hào)通過(guò)觸發(fā)器產(chǎn)生合適的脈沖訊號(hào)，讓頻率計(jì)開始計(jì)時(shí)或停止計(jì)時(shí)。有一種工作情況是這樣的：當(dāng)兩個(gè)光電二極管都被小聚光燈泡照亮?xí)r觸發(fā)器沒(méi)有訊號(hào)輸出，如果任一個(gè)小燈泡的光被擋住，觸發(fā)器就輸出一個(gè)脈沖訊號(hào)，通過(guò)屏蔽線輸入到頻率計(jì)的

4、“計(jì)”位，頻率計(jì)就開始計(jì)時(shí)。此后如果任一個(gè)小燈泡(可以是原來(lái)的小燈泡，也可以是另外一個(gè))的光又被擋住，觸發(fā)器就發(fā)出第二個(gè)脈沖訊號(hào)，輸入到頻率計(jì)的“?！蔽?，頻率計(jì)就停止計(jì)時(shí)。頻率計(jì)顯示的就是上述兩次擋光之間的時(shí)間間隔。 可見(jiàn)，整個(gè)光電測(cè)量系統(tǒng)的基本作用就是測(cè)量?jī)纱螕豕庵g的時(shí)間間隔。這與停表的作用相似，第一次擋光相當(dāng)于開動(dòng)停表，第二次擋光相當(dāng)于止動(dòng)停表。 擋光刀片的一端有一透光缺口，整個(gè)刀片有四條互相平行的邊，將擋光刀片固定在滑塊上，使之隨滑塊一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)镀S滑塊自右向左運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)過(guò)光電二極管時(shí)，刀片的四條邊依次經(jīng)過(guò)小燈泡。第一條邊經(jīng)過(guò)小燈泡時(shí)將光擋住，觸發(fā)器輸出脈沖信號(hào)，頻率計(jì)開始計(jì)時(shí)；當(dāng)?shù)?/p>

5、三條邊經(jīng)過(guò)小燈泡并再次擋住光時(shí)，觸發(fā)器輸出第二個(gè)脈沖信號(hào)，頻率計(jì)停止計(jì)時(shí)。于是頻率計(jì)顯示的時(shí)間t就是滑塊移動(dòng)距離s所用的時(shí)間，s是第一條邊與第三條邊的間距。 在本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)字毫秒計(jì)為MSII型，精度可達(dá)0.1ms，電腦計(jì)時(shí)器為MUJIII型，精度可達(dá)0.01ms，均比停表的精度高（10ms）。二、 氣軌的水平調(diào)節(jié)無(wú)論在氣軌上做哪個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前都要將氣軌調(diào)整成水平狀態(tài)，才能滿足實(shí)驗(yàn)的條件，調(diào)平一般分為兩步進(jìn)行：1.粗調(diào)首先打開氣源，給導(dǎo)軌通氣，然后將滑塊輕輕置于導(dǎo)軌之上，如果發(fā)現(xiàn)滑塊無(wú)論放在什么部位都朝同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明導(dǎo)軌不平，應(yīng)該調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下的單腳螺絲（雙腳螺絲不要?jiǎng)樱瑔文_螺絲順時(shí)針旋轉(zhuǎn)上

6、升，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)下降），直到將滑塊放在中間及兩端時(shí)，滑塊靜止或總朝著同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)為止。2.細(xì)調(diào)將兩個(gè)光電門置于導(dǎo)軌上相隔較遠(yuǎn)的（80cm左右）的對(duì)稱位置上，推動(dòng)滑塊，使之在導(dǎo)軌上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，同時(shí)依次記錄滑塊向一端運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，先后通過(guò)兩個(gè)光電門時(shí)計(jì)時(shí)器所顯示的時(shí)間t1、t2(向左的時(shí)間)和t3、t4（向右的時(shí)間），等等?；瑝K運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于仍然存在這一定的阻力，從而滑塊的運(yùn)動(dòng)速度總是越來(lái)越慢，故t2-t1，t4 -t3，等等均大于0，而且如果導(dǎo)軌是水平的，則向左運(yùn)動(dòng)時(shí)的（t2-t1）應(yīng)等于或略小于向右運(yùn)動(dòng)時(shí)的（t4 -t3）的值，否則，就要判斷哪一端比較高，在通過(guò)調(diào)節(jié)單腳螺絲來(lái)達(dá)到上述要求。三、驗(yàn)證

7、機(jī)械能守恒 驗(yàn)證重力勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化 只有重力或彈力做功, 或系統(tǒng)的外力和非保守內(nèi)力做功和為零系統(tǒng)的機(jī)械能守恒，在此表現(xiàn)為重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量。在氣軌上，因?yàn)榭諝庾枇湍Σ亮苄。钥梢院雎钥諝庾枇湍Σ亮?，近似的認(rèn)為機(jī)械能是守恒的. 本次試驗(yàn)是在傾斜的導(dǎo)軌上進(jìn)行的，首先測(cè)量單腳螺絲與雙腳螺絲之間的距離l0，然后將氣軌調(diào)平，在單腳螺絲的下面墊高為h0的墊子。在理想條件下，滑塊從斜面的一端滑下，在斜面上的任意兩點(diǎn)應(yīng)有 12mv12+mgh1=12mv22+mgh2兩邊同時(shí)約去m并移項(xiàng)可得v12-v22=2gh12進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)v1、v2可以通過(guò)擋光片的寬度和遮光時(shí)間計(jì)算出來(lái)，h12

8、=l12sinh0l0因此在實(shí)驗(yàn)中只需測(cè)量斜面上兩點(diǎn)的速度以及兩點(diǎn)在軌道上的距離差，分別計(jì)算動(dòng)能的增量和重力勢(shì)能的減少量，比較兩者在誤差范圍內(nèi)是否相等。驗(yàn)證彈性勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化在只有彈力做功時(shí)機(jī)械能守恒，即彈性勢(shì)能的減少量能等于動(dòng)能的增加量，在氣軌上，因?yàn)榭諝庾枇湍Σ亮苄。钥梢院雎钥諝庾枇湍Σ亮?，近似的認(rèn)為機(jī)械能是守恒的.通過(guò)拉伸法測(cè)得輕質(zhì)彈簧的彈性系數(shù)為k。測(cè)量的彈簧原長(zhǎng)為x0。 將彈簧壓在兩個(gè)滑塊之間，同時(shí)在滑塊間系一根細(xì)繩，使彈簧壓縮，測(cè)得細(xì)繩的長(zhǎng)度即此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為x。根據(jù)機(jī)械能守恒有： 的測(cè)量方法和驗(yàn)證重力勢(shì)能與動(dòng)能守恒實(shí)驗(yàn)相同?！緦?shí)驗(yàn)儀器】氣墊導(dǎo)軌（1.5m長(zhǎng)的L-Q

9、G-T型），氣源，光電計(jì)量系統(tǒng)（數(shù)字毫秒計(jì)，光電門），滑塊一個(gè)，游標(biāo)卡尺，皮尺，墊子若干?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1. 在導(dǎo)軌相距較遠(yuǎn)的對(duì)稱位置固定兩個(gè)光電門G1、G2的位置，根據(jù)導(dǎo)軌上的尺寸，讀出兩個(gè)光電門之間的距離l12（相距大約在0.4m左右），讀至少五次，并記錄。2. 用皮尺測(cè)量單腳螺絲與雙腳螺絲之間的距離l0，測(cè)量至少五次，并記錄。3. 調(diào)節(jié)氣軌水平及光電計(jì)量系統(tǒng)，使它們處于正常工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)結(jié)束后，須經(jīng)老師的檢查，檢查合格之后方可進(jìn)行下一步操作。4. 選取幾個(gè)墊子，使它們堆放整齊，用游標(biāo)卡尺測(cè)量墊子的總高度h0（大約在0.02m左右），至少測(cè)量五次，每次測(cè)量選取不同的位置。5. 讓滑塊從斜面高

10、處滑下（要求從靜止釋放），測(cè)量滑塊通過(guò)G1、G2的時(shí)間t1、t2，記錄在表格中，重復(fù)試驗(yàn)至少五次。6. 用直尺測(cè)量彈簧原長(zhǎng)三次，計(jì)算平均值x0，在彈簧下吊一個(gè)砝碼，測(cè)量此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度x1，再繼續(xù)增加一個(gè)砝碼，測(cè)量此時(shí)彈簧長(zhǎng)度為x2，以此類推，每次分別增加一個(gè)砝碼，測(cè)得五個(gè)彈簧長(zhǎng)度值，再依次減去一個(gè)砝碼，測(cè)得彈簧長(zhǎng)度為xi（i=1,2,3,4,5）根據(jù)逐差法求的彈簧彈性系數(shù)。7. 將彈簧壓在兩個(gè)滑塊之間，同時(shí)在滑塊間系一根細(xì)繩，使彈簧壓縮，測(cè)得細(xì)繩的長(zhǎng)度即此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為x，將滑塊靜止置于調(diào)平衡的氣軌上。8. 剪斷細(xì)繩，兩滑塊在彈簧作用下向兩邊運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電門的時(shí)間分別記為t3和t4。將數(shù)據(jù)記錄

11、在表格中，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)至少五次。【數(shù)據(jù)記錄與處理】1.表格l12的長(zhǎng)度測(cè)次12345l12（cm）l0的測(cè)量測(cè)次12345離l0（cm） h0的測(cè)量測(cè)次12345h0(cm)滑塊質(zhì)量m= g, 擋光片間距d= mm測(cè)次t1(ms)t2(ms)v1v2v12v22v12-v2212345砝碼質(zhì)量m（）01.002.003.004.005.00增碼讀數(shù)（）減碼讀數(shù)平均讀數(shù)（）（）測(cè)次12345【注意事項(xiàng)】（1）氣墊導(dǎo)軌是一種精度較高的現(xiàn)代教學(xué)儀器。軌面的直線度，粗糙度，滑行器內(nèi)角及表面的平面度都有較高要求，切忌振動(dòng)、重壓。嚴(yán)防碰傷和劃傷。不允許在不通氣的情況下將滑塊在軌面上滑磨，關(guān)閉氣源之前，必須先將滑塊取下置于安全之處，若不慎未將滑塊去下就關(guān)閉氣源，應(yīng)先打開氣源，再取下滑快。（2）實(shí)驗(yàn)前一定要檢查氣孔是否通暢，如有小孔被堵塞，滑塊運(yùn)動(dòng)到該處就會(huì)受到影響，甚至?xí)Ｗ〔粍?dòng)。如有小孔被堵塞，應(yīng)該用細(xì)鋼絲（直徑小于05毫米）捅開，接通氣源后，須待導(dǎo)軌空腔內(nèi)氣壓穩(wěn)定、噴氣流量穩(wěn)定之后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）應(yīng)預(yù)先反復(fù)練習(xí)試做，達(dá)到熟練后再正是測(cè)量和記錄?；瑝K的運(yùn)動(dòng)速度不宜過(guò)低，否則當(dāng)外界因素變化時(shí)（如室內(nèi)氣流量不穩(wěn)、壓力不均時(shí)，會(huì)影響滑行器的運(yùn)動(dòng)）。一般