速度与加速度的测量.docVIP

速度和加速度的测量 【实验目的】 1. 观察匀速直线运动，测量滑块的运动速度。 2. 学习使用气垫导轨和存储式数字毫秒计。 【实验仪器】 气垫导轨、气源、存储式数字毫秒计、垫块。 【实验原理】 1、测量滑块运动的瞬时速度V 物体做直线运动时，其瞬时速度定义为： (1) 根据这个定义瞬时速度实际上是不可能测量的。因为当(t(0时，同时有(S(0，测量上有具体困难。我们只能取很小的(t及相应的(S，用其平均速度来代替瞬时速度V，即 (2) 尽管像这样用平均速度代替瞬时速度会产生一定误差，但只要物体运动速度较大而加速度又不太大，这种误差也不会太大。 2、测量滑块运动的加速度a 图1 滑块下滑示意图 如图1所示，如果将气垫导轨的一端垫高，形成斜面，滑块下滑时将作匀变速直线运动，有三个基本运动公式： （3） (4) (5) 式中s0和s以及V0和V分别为t0和t时刻滑块的位置坐标和相应的瞬时速度。在实验中使用的毫秒计只能从t0＝0时刻开始计时，所以运动方程变为： (6) (7) (8) 此时t为滑块从s0处到s处的运动时间， S＝s－s0为两光电门之间的距离。 实验时，使滑块由导轨最高端（或某一固定位置）静止自由下滑，即可测得不同位置s0、s1、s2．．．．．处各自相应的速度和加速度值，如图2－2。 图2 位置和速度对应图 【实验仪器介绍】 气垫导轨 气垫导轨是一种现代化的力学实验仪器。它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔。空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器就浮在气垫层上，与轨面脱离接触，因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动，极大地减小了以往在力学实验中由于摩擦力引起的误差。使实验结果接近理论值。配用数字计时器或高压电火花计时器记录滑行器在气轨上运动的时间，可以对多种力学物理量进行测定，对力学定律进行验证。 气垫导轨按其直线度是否可调分为普通式（不可调式）和可调式两种型式。该产品以轨面长度为主参数。主参数系列有800毫米、1200毫米、1500毫米和2000毫米四种，前两种规格适合中学物理实验使用。气垫导轨还可以按照其所需的工作压强和滑行器质量分为高气压、重滑行器及低气压、轻滑行器两类。前者性能好，但价格略高，后者性能稍差，价格较低。图3即为实验中所采用的J2125型气垫导轨及配套的存储式数字毫秒计与存储式数字计时器。 图3 气垫导轨、气源和存储式数字毫秒计与计时器 气垫导轨由导轨、滑行器及有关实验附件组成。导轨是气垫导轨的主体，它是一根平直光滑的五边形空心铝合金直接拉伸型材加工制成的。在导轨两侧的水平方向上有两条加强筋，防止导轨变形。斜面筋上有一刻度尺，刻度尺的最小分度为1毫米，是用来确定滑行器及光电门的位置的。另外平面筋上还可粘火花打点记录纸带。导轨的底部有两个支座，一个支座是单脚支座，高度不可调节。另一个是双脚支座，也称横调整架，该支座上两脚是两只调节螺钉，用来调节导轨的纵向水平及横向水平。 气垫导轨实验中的运动物体为滑行器（又称滑块），图4为L－QG－T－1200/5．8型气垫导轨的滑行器。滑行器是由铝合金职称的，(形槽的两个内表面互相垂直为滑行器的工作面，经过精加工，光滑而平整。滑行器上部有五条“T”形槽，可用螺钉和螺帽方便地在槽上固定各种附件。下面的两条“T”形槽的中心正好通过滑行器的质心，在这两条槽的两端安装碰撞器或挂钩，可使滑行器在运动过程中所受外力通过质心。在这两条槽的中部加装配重块后滑行器的质心不会改变高度。 气垫导轨的附件很多，主要的有光电门架、各种挡光片、垫块、砝码等等。这些附件能满足多种实验的要求，使得气垫导轨的应用更加广泛。 图4 气垫导轨滑行器 存储式数字毫秒计与数字计时器 存储式数字毫秒计与存储式数字计时器是具有存储功能，时基精度高（微秒级）的测量时间间隔的数字计量仪器。它集J0201型数字计时器，J0202型简式计时器的全部功能于一体，可做计时、计数等使用。另外，它还可与J2125型气垫导轨、J0471型自由落体仪、J2127型斜槽轨道等配合使用，来测量速度、加速度、重力加速度、周期等物理量和碰撞等实验，并直接显示实验的速度和加速度的值。 一、面板说明 数据显示窗口：显示测量数据、光电门故障信息。 单位显示：[]、[]、[]、[]或不显示（计数时不显示单位）