物理設(shè)計性實驗

1、用氣墊導(dǎo)軌驗證機械能守恒【引言】在物理實驗中，由于摩擦力的存在，往往會使誤差很大，甚至使某些實驗無法進行，若采用氣墊導(dǎo)軌等裝置，可以大大減少摩擦力，從而使實驗的結(jié)果更加的準(zhǔn)確。氣墊技術(shù)還可以減少磨損、延長儀器壽命、提高機械效率等。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(dǎo)軌做力學(xué)實驗可以觀察和研究在近似無阻力的情況下物理的各種運動規(guī)律?！緦嶒?zāi)康摹?. 熟悉氣軌的構(gòu)造，掌握氣軌的調(diào)節(jié)。2. 掌握用光電門計時系統(tǒng)測量較短時間及速度、動能等力學(xué)量的方法。3. 運用所學(xué)知識及實驗測量數(shù)據(jù)驗證機械能守恒?！緦嶒炘怼繗鈮|導(dǎo)軌整個裝置由三部分組成：導(dǎo)軌、滑塊和光電

2、子計時裝置等組成，裝置如圖所示。1.導(dǎo)軌 導(dǎo)軌是由一根長約1.5到2.0米的三角形鋁管做成的。其中一端用堵頭封死，另一端裝有進氣嘴；可向管腔送入壓縮空氣。在鋁管的兩個向上的側(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摩擦的運動。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動。整個導(dǎo)軌通過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用來調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平的螺絲。導(dǎo)軌的傾度還可通過改變墊在底腳螺絲下面的墊塊數(shù)目來實現(xiàn)。 導(dǎo)軌的一端還可以裝上滑輪或氣墊“滑輪”。

3、2.滑塊 滑塊由長約20厘米的角鐵或角鋁做成，其內(nèi)表面與導(dǎo)軌的兩個側(cè)面精確吻合。當(dāng)導(dǎo)軌上表面的噴氣小孔噴氣時，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?；瑝K兩端裝有緩沖彈簧?；瑝K中部還裝有用來測量時間間隔的擋光片、緩沖彈簧和尼龍搭扣。 3光電計時系統(tǒng) 在導(dǎo)軌一側(cè)安裝兩個位置可以移動的光電二極管，它們分別為兩個小聚光燈泡所照亮。光電二極管與觸發(fā)器相聯(lián)。光電訊號通過觸發(fā)器產(chǎn)生合適的脈沖訊號，讓頻率計開始計時或停止計時。有一種工作情況是這樣的：當(dāng)兩個光電二極管都被小聚光燈泡照亮?xí)r觸發(fā)器沒有訊號輸出，如果任一個小燈泡的光被擋住，觸發(fā)器就輸出一個脈沖訊號，通過屏蔽線輸入到頻率計的

4、“計”位，頻率計就開始計時。此后如果任一個小燈泡(可以是原來的小燈泡，也可以是另外一個)的光又被擋住，觸發(fā)器就發(fā)出第二個脈沖訊號，輸入到頻率計的“?！蔽?，頻率計就停止計時。頻率計顯示的就是上述兩次擋光之間的時間間隔。 可見，整個光電測量系統(tǒng)的基本作用就是測量兩次擋光之間的時間間隔。這與停表的作用相似，第一次擋光相當(dāng)于開動停表，第二次擋光相當(dāng)于止動停表。 擋光刀片的一端有一透光缺口，整個刀片有四條互相平行的邊，將擋光刀片固定在滑塊上，使之隨滑塊一起運動。當(dāng)?shù)镀S滑塊自右向左運動，并經(jīng)過光電二極管時，刀片的四條邊依次經(jīng)過小燈泡。第一條邊經(jīng)過小燈泡時將光擋住，觸發(fā)器輸出脈沖信號，頻率計開始計時；當(dāng)?shù)?/p>

5、三條邊經(jīng)過小燈泡并再次擋住光時，觸發(fā)器輸出第二個脈沖信號，頻率計停止計時。于是頻率計顯示的時間t就是滑塊移動距離s所用的時間，s是第一條邊與第三條邊的間距。 在本實驗中，數(shù)字毫秒計為MSII型，精度可達0.1ms，電腦計時器為MUJIII型，精度可達0.01ms，均比停表的精度高（10ms）。二、 氣軌的水平調(diào)節(jié)無論在氣軌上做哪個實驗，在實驗前都要將氣軌調(diào)整成水平狀態(tài)，才能滿足實驗的條件，調(diào)平一般分為兩步進行：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)滑塊無論放在什么部位都朝同一個方向運動，說明導(dǎo)軌不平，應(yīng)該調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下的單腳螺絲（雙腳螺絲不要動，單腳螺絲順時針旋轉(zhuǎn)上

6、升，逆時針旋轉(zhuǎn)下降），直到將滑塊放在中間及兩端時，滑塊靜止或總朝著同一個方向運動為止。2.細調(diào)將兩個光電門置于導(dǎo)軌上相隔較遠的（80cm左右）的對稱位置上，推動滑塊，使之在導(dǎo)軌上來回運動，同時依次記錄滑塊向一端運動的過程中，先后通過兩個光電門時計時器所顯示的時間t1、t2(向左的時間)和t3、t4（向右的時間），等等。滑塊運動時，由于仍然存在這一定的阻力，從而滑塊的運動速度總是越來越慢，故t2-t1，t4 -t3，等等均大于0，而且如果導(dǎo)軌是水平的，則向左運動時的（t2-t1）應(yīng)等于或略小于向右運動時的（t4 -t3）的值，否則，就要判斷哪一端比較高，在通過調(diào)節(jié)單腳螺絲來達到上述要求。三、驗證

7、機械能守恒 驗證重力勢能與動能的相互轉(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)的機械能守恒，在此表現(xiàn)為重力勢能的減少量等于動能的增加量。在氣軌上，因為空氣阻力和摩擦力很小，所以可以忽略空氣阻力和摩擦力，近似的認為機械能是守恒的. 本次試驗是在傾斜的導(dǎo)軌上進行的，首先測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應(yīng)有 12mv12+mgh1=12mv22+mgh2兩邊同時約去m并移項可得v12-v22=2gh12進行實驗時v1、v2可以通過擋光片的寬度和遮光時間計算出來，h12

8、=l12sinh0l0因此在實驗中只需測量斜面上兩點的速度以及兩點在軌道上的距離差，分別計算動能的增量和重力勢能的減少量，比較兩者在誤差范圍內(nèi)是否相等。驗證彈性勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化在只有彈力做功時機械能守恒，即彈性勢能的減少量能等于動能的增加量，在氣軌上，因為空氣阻力和摩擦力很小，所以可以忽略空氣阻力和摩擦力，近似的認為機械能是守恒的.通過拉伸法測得輕質(zhì)彈簧的彈性系數(shù)為k。測量的彈簧原長為x0。 將彈簧壓在兩個滑塊之間，同時在滑塊間系一根細繩，使彈簧壓縮，測得細繩的長度即此時彈簧的長度為x。根據(jù)機械能守恒有： 的測量方法和驗證重力勢能與動能守恒實驗相同。【實驗儀器】氣墊導(dǎo)軌（1.5m長的L-Q

9、G-T型），氣源，光電計量系統(tǒng)（數(shù)字毫秒計，光電門），滑塊一個，游標(biāo)卡尺，皮尺，墊子若干?！緦嶒瀮?nèi)容】1. 在導(dǎo)軌相距較遠的對稱位置固定兩個光電門G1、G2的位置，根據(jù)導(dǎo)軌上的尺寸，讀出兩個光電門之間的距離l12（相距大約在0.4m左右），讀至少五次，并記錄。2. 用皮尺測量單腳螺絲與雙腳螺絲之間的距離l0，測量至少五次，并記錄。3. 調(diào)節(jié)氣軌水平及光電計量系統(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行下一步操作。4. 選取幾個墊子，使它們堆放整齊，用游標(biāo)卡尺測量墊子的總高度h0（大約在0.02m左右），至少測量五次，每次測量選取不同的位置。5. 讓滑塊從斜面高

10、處滑下（要求從靜止釋放），測量滑塊通過G1、G2的時間t1、t2，記錄在表格中，重復(fù)試驗至少五次。6. 用直尺測量彈簧原長三次，計算平均值x0，在彈簧下吊一個砝碼，測量此時彈簧的長度x1，再繼續(xù)增加一個砝碼，測量此時彈簧長度為x2，以此類推，每次分別增加一個砝碼，測得五個彈簧長度值，再依次減去一個砝碼，測得彈簧長度為xi（i=1,2,3,4,5）根據(jù)逐差法求的彈簧彈性系數(shù)。7. 將彈簧壓在兩個滑塊之間，同時在滑塊間系一根細繩，使彈簧壓縮，測得細繩的長度即此時彈簧的長度為x，將滑塊靜止置于調(diào)平衡的氣軌上。8. 剪斷細繩，兩滑塊在彈簧作用下向兩邊運動，通過光電門的時間分別記為t3和t4。將數(shù)據(jù)記錄

11、在表格中，并重復(fù)實驗至少五次?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】1.表格l12的長度測次12345l12（cm）l0的測量測次12345離l0（cm） h0的測量測次12345h0(cm)滑塊質(zhì)量m= g, 擋光片間距d= mm測次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)（）（）測次12345【注意事項】（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、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）實驗前一定要檢查氣孔是否通暢，如有小孔被堵塞，滑塊運動到該處就會受到影響，甚至?xí)Ｗ〔粍?。如有小孔被堵塞，?yīng)該用細鋼絲（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)定之后在進行實驗。（3）應(yīng)預(yù)先反復(fù)練習(xí)試做，達到熟練后再正是測量和記錄。滑塊的運動速度不宜過低，否則當(dāng)外界因素變化時（如室內(nèi)氣流量不穩(wěn)、壓力不均時，會影響滑行器的運動）。一般