實(shí)驗(yàn)四氣軌上測量滑塊的速度和加速度

實(shí)驗(yàn)四

氣軌上測量滑塊的速度和加速度

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.掌握氣墊導(dǎo)軌上測量滑塊的速度和加速度的一種方法。2.學(xué)習(xí)使用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字毫秒計(jì)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】氣墊導(dǎo)軌，滑塊，墊塊，遮光片，光電門，數(shù)字毫秒計(jì)，氣源，螺旋測微器，游標(biāo)卡尺。

1．導(dǎo)軌:導(dǎo)軌是由長1.5---2.0m的三角形中空鋁型材制成．軌面上兩側(cè)各有兩排直徑為0.4---0.6mm的噴氣孔．導(dǎo)軌一端裝有進(jìn)氣嘴，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入管腔后，就從小孔噴出，在軌面與軌上滑塊之間形成很薄的空氣膜(即所謂氣墊)，將滑塊從導(dǎo)軌面上托起(約0.15mm)，從而把滑塊與導(dǎo)軌之間接觸的滑動(dòng)摩擦變成為空氣層之間的氣體內(nèi)摩擦，極大地減小了摩擦力的影響．導(dǎo)軌兩端有緩沖彈簧，一端安有滑輪．整個(gè)導(dǎo)軌安在鋼梁上，其下有三個(gè)用以調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平的底腳螺絲。2．滑塊

用角形鋁材制成，其兩側(cè)內(nèi)表面和導(dǎo)軌面精密吻合．滑塊兩端裝有緩沖器，其上面可安置擋光片或附加重物．3．光電門

它由聚光燈泡和光電管組成．光電管與數(shù)字毫秒計(jì)相接．當(dāng)有光照到光電管上時(shí)，光電管電路導(dǎo)通，這時(shí)如擋住光路，光電管為斷路，通過數(shù)字毫秒計(jì)門控電路，輸出一脈沖使數(shù)字毫秒計(jì)開始或停止計(jì)時(shí)．滑塊上的擋光片在光電門中通過一次，數(shù)字毫秒計(jì)將顯示出從開始計(jì)時(shí)到停止計(jì)時(shí)相應(yīng)的時(shí)間t．如相應(yīng)的擋光片寬度為d，則可得出滑塊通過光電門的平均速度：4．擋光片

由金屬片制成，呈U字形，d是擋光片第一前沿到第二前沿的距離。使用d值小的擋光片可以使測出的平均速度接近瞬時(shí)速度，即減小系統(tǒng)誤差．但是d小時(shí)，相應(yīng)的t也將變小，這時(shí)t的相對誤差將變大，所以測量速度時(shí)，不宜于用d很小的擋光片．至于平均速度和瞬時(shí)速度的差異可以另行設(shè)法補(bǔ)正．5．使用氣軌的注意事項(xiàng)(1)防止碰傷軌面和滑塊：滑塊與軌面之間只有不到0.2mm的間隙，如果軌面和滑塊內(nèi)表面被碰傷或變形，則可能出現(xiàn)接觸摩擦使阻力顯著增大．

(2)檢查軌面噴氣孔是否堵塞：氣軌供氣后，用薄的小紙條逐一檢查氣孔，發(fā)現(xiàn)堵塞要用細(xì)鋼絲通一下．(3)用紗布沾少許酒精擦拭軌面及滑塊內(nèi)表面．(4)氣軌未供氣時(shí)，不要在軌上推動(dòng)滑塊．存儲(chǔ)式數(shù)字毫秒計(jì)

存儲(chǔ)式數(shù)字毫秒計(jì)具有存儲(chǔ)功能，時(shí)基精度高（微秒級）的測量時(shí)間間隔的數(shù)字計(jì)量儀器?？勺鲇?jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等使用。可與J2125型氣墊導(dǎo)軌、J0471型自由落體儀、J2127型斜槽軌道等配合使用，來測量速度、加速度、重力加速度、周期等物理量和碰撞等實(shí)驗(yàn)，并直接顯示實(shí)驗(yàn)的速度和加速度的值。一、面板說明1.數(shù)據(jù)顯示窗口：顯示測量數(shù)據(jù)、光電門故障信息。2.單位顯示：[s]、[ms]、[cm/s]、[cm/s2]或不顯示（計(jì)數(shù)時(shí)不顯示單位）3.功能選擇指示：4．[功能]鍵：功能選擇5．[清零]鍵：清除所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)6．[停止]鍵：停止測量，進(jìn)入循環(huán)顯示數(shù)據(jù)或鎖存顯示數(shù)據(jù)。7．[6V/同步]鍵：與J04217型自由落體實(shí)驗(yàn)儀或J2127型斜槽軌道配合使用。CS1S2TagColSgl計(jì)數(shù)

遮光時(shí)間

間隔計(jì)時(shí)

振子周期

加速度

重力加速度

碰撞

時(shí)標(biāo)

二、操作使用說明1．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，光電門和顯示器件的自檢。1.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作：（1）將兩個(gè)光電門插頭插入1號、2號光電門插座；（2）接上220V交流電源，打開電源開關(guān)；（3）開機(jī)后自動(dòng)進(jìn)入自檢狀態(tài)；依次按[功能]鍵，選擇需要的功能，循環(huán)順序如下：1.2光電門和顯示器件的自檢開機(jī)或按[功能]鍵選擇自檢功能，都將進(jìn)入自檢狀態(tài)。當(dāng)光電門無故障時(shí)，屏幕循環(huán)顯示各顯示器件，當(dāng)光電門發(fā)生故障（如：接觸不良、損壞、遮擋光電門輸入電路出現(xiàn)故障等）時(shí)，屏幕將閃爍著該光電門的號碼，不做循環(huán)顯示工作。這時(shí)，必須先排除故障，程序才能繼續(xù)運(yùn)行。“S1”——遮光計(jì)時(shí)用擋光片對任意一個(gè)光電門一次遮光，屏幕依次顯示出遮光次數(shù)和遮光時(shí)間?？蛇B續(xù)作1~255次實(shí)驗(yàn)，但只存儲(chǔ)前10個(gè)數(shù)據(jù)。按[停止]鍵，立即進(jìn)入循環(huán)顯示存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)狀態(tài)。按[清零]鍵，清除所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，又可重新做實(shí)驗(yàn)?！癝2”——間隔計(jì)時(shí)用擋光框?qū)θ我庖粋€(gè)光電門依次擋光，屏幕依次顯示出擋光間隔的次數(shù)和擋光的時(shí)間?？蛇B續(xù)做1~255次實(shí)驗(yàn)，只存儲(chǔ)前10個(gè)數(shù)據(jù)。按[停止]鍵，先依次顯示測量的間隔時(shí)間數(shù)據(jù)，再依次顯示與之對應(yīng)的速度數(shù)據(jù)，并反復(fù)循環(huán)?！癮”——測加速度配合J2125型系列氣墊導(dǎo)軌、擋光框和兩個(gè)光電門作運(yùn)動(dòng)物體的加速度實(shí)驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)體上的擋光框通過兩個(gè)光電門之后自動(dòng)進(jìn)入循環(huán)顯示：1：擋光框通過第一個(gè)光電門（不是指1號光電門，是指實(shí)驗(yàn)的順序）的時(shí)間間隔。2：擋光框從第一個(gè)光電門運(yùn)動(dòng)至第二個(gè)光電門的間隔時(shí)間。3：擋光框通過第二個(gè)光電門的時(shí)間間隔。V1：擋光框通過第一個(gè)光電門的速度；V2：擋光框通過第二個(gè)光電門的速度；a

：擋光框通過第一個(gè)光電門至第二個(gè)光電門之間的運(yùn)動(dòng)加速度。并反復(fù)循環(huán)顯示上述6個(gè)數(shù)據(jù)。按[清零]鍵，清除所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，又可重新做實(shí)驗(yàn)。【實(shí)驗(yàn)原理】1、測量滑塊的速度物體作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果在某時(shí)刻到的時(shí)間間隔內(nèi)，通過的位移為，則物體在該的時(shí)間間隔內(nèi)的平均速度為該時(shí)刻的瞬時(shí)速度為顯然，越小，就越接近于瞬時(shí)速度。在實(shí)驗(yàn)中要測量物體在某時(shí)刻(或某位置)的瞬時(shí)速度是無法實(shí)現(xiàn)的，通常是選取較小的，以保證很小，在一定的誤差范圍內(nèi)用平均速度代替瞬時(shí)速度。2、測量滑塊的加速度

如圖所示，物體由靜止出發(fā)沿斜面作下滑運(yùn)動(dòng)，在摩擦阻力忽略不計(jì)的情況下，物體作勻加速直線運(yùn)動(dòng)。則有

兩式相減，得：

即

可見，只要測量出物體在A點(diǎn)和B點(diǎn)的速度及AB間的距離，就可以算出物體的加速度。3、測量重力加速度

此外，根據(jù)牛頓第二定律可得：

當(dāng)很小時(shí)，有，

則

有(4-2)

由上式可見，只要測量出L和h以及滑塊在傾斜氣墊導(dǎo)軌上的加速度，就可以算出當(dāng)?shù)氐奈矬w加速度g值。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一、檢查數(shù)字毫秒計(jì)的工作情況1.首先掌握數(shù)字毫秒計(jì)面板上各開關(guān)、按鈕和插座的用途，正確連接好數(shù)字毫秒計(jì)和光電門之間的連線。2.打開儀器電源開關(guān)，電源指示燈和數(shù)碼管應(yīng)全部點(diǎn)亮。選擇功能置于“”。3.用手指遮擋任意一只光電二極管，毫秒計(jì)開始不斷計(jì)數(shù)，再遮擋一下，計(jì)數(shù)停止。4.按下“清零”按鈕，顯示數(shù)字復(fù)零，表示儀器工作正常。二、調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平1.粗調(diào)：調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下的三只底腳螺絲，使導(dǎo)軌大致水平。2.靜態(tài)調(diào)平：將滑塊放在導(dǎo)軌上，接通氣源，這時(shí)滑塊在導(dǎo)軌上自由運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的單腳底腳螺絲，使滑塊基本靜止。3.動(dòng)態(tài)調(diào)平：將兩個(gè)光電門相距60cm左右。在滑塊上安放開槽遮光片，選擇“

s2”。輕輕推動(dòng)滑塊，分別讀出遮光片通過兩個(gè)光電門的時(shí)間和，反復(fù)調(diào)節(jié)單腳螺絲，使它們相差很小，認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌基本水平。三、測量滑塊的速度1.在導(dǎo)軌的單腳螺絲下墊放一厚度為1cm的墊塊。2.用游標(biāo)卡尺測量U型遮光片的寬度，如圖所示。（或)。3.使滑塊從導(dǎo)軌墊高的一端某一固定位置由靜止開始下滑，記下遮光片通過第二光電門的時(shí)間，重復(fù)五次，求出，算。四、測量滑塊的加速度1.用米尺測量兩光電門之間的距離。2.將滑塊從導(dǎo)軌墊高端滑下，分別記下遮光片經(jīng)過兩光電門的時(shí)間和，計(jì)算、和a。3.重復(fù)上述步驟2測量5次，將數(shù)據(jù)填入表4-2中，并計(jì)算出。五、測量重力加速度1.按圖，用米尺測量單腳底腳螺絲到另外兩個(gè)底腳螺絲連線間的距離L，用螺旋測微器測量墊塊的厚度h。將數(shù)據(jù)填入表4-3中。2.按式（4-2）計(jì)算重力加速度g值，計(jì)算不確定度?！緶y量數(shù)據(jù)】次數(shù)12345平均表4-1表4-2次數(shù)12345平均表4-3次數(shù)12345平均L/cmh/mm【注意事項(xiàng)】1.