气垫导轨实验探究牛二

二、探究牛顿第二定律

【实验目的】

1.利用气垫导轨测定速度和加速度。 2.验证牛顿第二定律。

3.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。 1.

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。

滑块

导轨是用一根平直、

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,视气流大小及滑行图1 气垫导轨 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。

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

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

x

物体作直线运动时,平均速度为,时间间隔t或x越小时,平均速度越接

t

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t趋向零时x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t,及其相应的x,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t;x则是挡光片两片同测边沿之间的宽度。如图1所示。由于x较小,相应的t也较小。故可将x与t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。

图1 挡光片

2.加速度的测定

2

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2022(xx0),即



202

2(xx0)

(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0,及第二个光电门的末速度,从光电门的指针可以读出x0和x,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 验证牛顿第二定律

图2中,滑行器质量为m1,砝码盘和砝码的总质量m2,细线张力为T,则有

m2gTm2aTm1a

(2)

合外力

F=m gm(a2\1m2)令M=m1m2,则

F=Ma (3)

F

为一常量;在恒力(F保a

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

由推得的公式可以看出:F越大,加速度a也越大,且

律。其中加速度a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)。纵向调平时,调节单脚螺旋A的升降,先粗调,后细调。

(1)粗调:打开气源,使滑行器浮起,将滑行器先后放在导轨左端和右端,由静止释放,观察其是否向左右自行滑动,若向某个方向滑动,就表明导轨未调平,该方向低。细心调节单脚螺旋的升降,直到滑行器基本上可以静止在导轨上任意位置为止。

(2)细调:细调采用单向动调法,接通J0201—CHJ存储式数字毫秒计的电源,选择功能为间隔计时,将两光电门置于导轨左右两端距端点约30.00㎝处,然后,将滑行器拉止左端,用手向右轻推,使滑行器以中等速度(30-60㎝/s,时间显示为117.00-233.0ms)滑行,数字毫秒计测量出△x经过光电门1和光电门2所用的时间△t1和△t2,反复细心调节单脚螺旋A,使△t1=△t2。由于气垫的粘滞力和空气阻力等影响,

3

处所用的时间T。

(5)按所测出的时间数据,分别计算通过G1和G2的瞬时速度1物体运动加速度a

xx,2和

t2t1

21

t

的值。

(6)将光电门G1,G2分别置于30cm,80cm处和30cm、90cm处分别重复上述实

注意每次实验滑行器要紧靠起始板轻轻开始运动。 在合外力F不变时,验证加速度a与物体质量M的关系。 (1)实验步骤同上实验中的(1)、(2)、(3)。

(2)计时器的功能选择“a”档,在砝码桶内加上一定质量的砝码(如3×5g),导轨通气,让滑行器从起始档板开始运动,通过两个光电门,计时器会自动测出并显示加速度a数值。

(3)再将砝码桶中的两个砝码分两次从砝码桶中移至滑行器上,重复上述步骤。验证在合外力F不变时,加速度a的大小与物体质量M的大小成反比。 【数据记录】

1.测量加速度数据表

m2g

xcmMm1m2ga计cm/s2

m1m2

5

百分偏差

计100%。 a计

2.验证加速度与合外力关系的数据表

xxcmmgm加重块

g

xxcmmgm加重块

g

6


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