气垫导轨实验探究牛二.docVIP

PAGE  PAGE 6 二、探究牛顿第二定律 【实验目的】 利用气垫导轨测定速度和加速度。 验证牛顿第二定律。 了解气垫导轨的构造，掌握它的调平方法。 【仪器简介】 气垫导轨导轨表面小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑行器之间形成一层很薄的“气垫”将滑行器浮起，使运动时的接触摩擦阻力大为减小，从而可以进行一些较为精确的定量研究。工业上利用气垫技术，还可以减少机械或器件的磨损，延长使用寿命，提高速度和机械效率，所以，气垫技术在机械、纺织、运输等工业生产中得到广泛应用，如气垫船、空气轴承、气垫输送线等。 滑行器 气垫导轨是一种力学实验装置，它主要由空腔导轨、滑行器、气源和光电门装置组成，如图1所示。 导轨是用一根平直、光滑的三角形铝合金制成，固定在一根刚性较强的钢梁上。导轨长为1.5m，轨面上均匀分布着孔径为0.6mm的两排喷气小孔，导轨一端封死，另一端装有进气嘴。当压缩空气经管道从进气嘴进入腔体后，就从小气孔喷出，托起滑行器，滑行器漂浮的高度，视气流大小及滑行器重量而定。为了避免碰伤，导轨两端及滑轨上都装有弹射器。在导轨上装有调节水平用的地脚螺钉。双脚端的螺钉用来调节轨面两侧线高度，单脚端螺钉用来调节导轨水平。或者将不同厚度的垫块放在导轨底脚螺钉下，以得到不同的斜度。导轨一侧固定有毫米刻度的米尺，便于定位光电门位置。滑轮和砝码用于对滑行器施加外力。 滑行器是导轨上的运动物体，长度为156mm，也是用铝合金制成，其下表面与导轨的两个侧面精密吻合，根据实验需要，滑行器上可以加装挡光片、加重块、尼龙扣、弹射器等附件。 图3 光电门 ? 气源为专用气泵，用气管与导轨连接。 光电计时装置由光电门毫秒计组成。J0201-CHJ存储式数字毫秒计采用单片微处理器，程序化控制，可用于各种计时、计数、测速度等，并具备多组实验数据的记忆存储功能。仪器面板如图2所示。 1) 数据显示窗口：显示测量数据、光电门故障信息等。 2）单位显示：[s]、[ms]、cm/s]、[cm/s2]或不显示（计数时不显示单位）。 3）功能选择指示：C—计数 a—加速度 S1—遮光计时 g—重力加速度 S2—间隔计时 Col—碰撞 T—振子周期 Sgl—时标 4）【功能】键：功能选择。 5）【清零】键：清除所有实验数据。 6）【停止】键：停止测量，进入循环显示数据或锁存显示数据。 7）【6V/同步】：与J04217自由落体试验仪或J04227斜槽轨道配合使用。 1号光电门输入插座、2号光电门输入插座及电源开关在仪器的后板上。 【实验原理】 1．速度的测定 物体作直线运动时，平均速度为，时间间隔或越小时，平均速度越接近某点的实际速度，取极限就得到某点的瞬时速度。在实验中直接用定义式来测量某点的瞬时速度是不可能的，因为当趋向零时也同时趋向零，在测量上有具体困难。但是在一定误差范围内，我们仍可取一很小的，及其相应的，用其平均速度来近似的代替瞬时速度。 被研究的物体（滑行器）在气垫导轨上作“无磨察阻力”的运动，滑行器上装有一个一定宽度的挡光片，当滑行器经过光电门时，挡光片前沿挡光，计时仪开始计时；挡光片后沿挡光时，计时立即停止。计时器上显示出两次挡光所间隔的时间；则是挡光片两片同测边沿之间的宽度。如图1所示。由于较小，相应的也较小。故可将与的比值看作是滑行器经过光电门所在点（以指针为准）的瞬时速度。 2．加速度的测定 当滑行器在水平方向上受一恒力作用时，滑行器将作匀加速直线运动。其加速度由公式，即 （1） 得到。 根据上述测量速度的方法，只要测出滑行器通过第一个光电门的初速度，及第二个光电门的末速度，从光电门的指针可以读出和，这样根据上式就可算得滑行器的加速度。 3．验证牛顿第二定律 牛顿第二定律是动力学的基本定律。其内容是物体受外力作用时，物体获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，并与物体的质量成反比。 图2中，滑行器质量为，砝码盘和砝码的总质量，细线张力为T，则有 （2） 合外力 令M=，则 F=M (3) 由推得的公式可以看出：F越大，加速度也越大，且为一常量；在恒力（F保持不变）作用下，M大的物体，对应的加速度小，反之亦然。由此可以验证牛顿第二定律。其中加速度由公式（1）求得。 【实验内容】 1．调平气垫导轨。应将气垫导轨的纵横两个方向都调平。横向调平时细心调节双脚螺旋B中的一个螺旋的升降，直到滑行器与导轨两测的间隙相等为止（已由实验室调好）