气垫导轨实验讲义.doc

实验三　　气垫导轨上的实验 　　在物理实验中，由于摩擦的存在，导致误差往往很大，甚至使某些实验无法进行。若采用气垫导轨等装置，可使这一问题得以较好的解决，气垫技术还可以减少磨损、延长仪器寿命提高机械效率。在机械、电子、运输等领域已被广泛应用，如气垫船、空气轴承，气垫输送线等。使用气垫导轨做力学实验可以观察和研究在近似无阻力情况下物体的各种运动规律。 一、实验目的 1．熟悉气垫导轨的构造和调整使用方法； 2．掌握用光电计时装置测量速度、加速度； 3．验证动量守恒定律； 4．深入了解完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞的特点。 二、仪器与用具 气垫导轨装置、数字毫秒计、砝码等 　三、实验原理 如图3-1所示，气垫导轨处于水平，在滑块的一端系一条细线，绕过气轨一端的滑轮后系一重物，由滑块、托盘和砝码构成的运动系统在重力作用下作直线加速运动。 图3-1 气垫导轨示意图 1、速度、加速度的测量：在导轨上相距的两处放置二光电门，若测得此系统在重力作用下，滑块通光电门时的速度分别为、则系统的加速度为 （3.1） 在滑块上放置一中间有方孔(或缺口)的挡光片，使方孔正好在光电管前通过，用数字毫秒计S2档测出滑块和挡光片在光电门中通过时，二次挡光的时间间隔,则可得到该小间隔的平均速度,为挡光片二前沿间距离。因较小，则可认为此平均速度为挡光片二前沿的中点通过光电门时，滑块的即时速度。只要测出了挡光片通过二光电门的时间间隔和，则可得对应的速度为 （3.2） 从（3.1）、（3.2）两式可解得运动系统的加速度为 （3.3） 动量守恒定律指出，如果一力学系统所受外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变，若系统上某一方向上所受合外力为零，则系统在该方向上的总动量将保持不变(即分动量守恒)。 2、碰撞 在本实验中，利用气垫导轨上两滑块的对心碰撞来验证动量守恒定律．如图3-1所示，若忽略滑块与导轨之间的摩擦力，则质量分别为和的两滑块之间在水平方向只受互相碰撞的作用内力，因而碰撞前后的总动量保持不变，若以、，、分别表示它们碰撞前后的速度，则由动量守恒定律，在碰撞方向上有 (3.4) （1） 完全弹性碰撞 在完全弹性碰撞中，碰撞前后不仅系统的动量守恒，而且机械能也守恒，实验时，在两滑块的相碰端装上弹簧片，当两滑块相碰时，弹簧片发生弹性形变后迅速恢复原状，并将滑块弹开，系统的机械能近似没有损失，即两滑块的总动能不变，则有 (3.5) 当时，由(3.4)与(3.5)两式解得 (3.6) (3.7) 如果,则，. （2） 完全非弹性碰撞 在两滑块的相碰面上粘上橡皮泥(或尼龙粘胶带)，碰撞后两滑块粘在一起以同一速度运动，即可实现完全非弹性碰撞，此时(3.4)式变为 (11.8) 当v20=0时，由上式可得 (11.9) 四、实验内容 （一）仪器的调整 1．光电计时系统的调整。将数字毫秒计的“光控”信号输入端和二光电门相联，并选用S2、档；检查光电门是否正常工作。 2．轨道调平。(1)粗调：把二光电门置于导轨中部，相距，离轨端距离大致相同。打开气源，放上滑块，调节底脚螺丝，直至滑块在气轨上不再自由滑动。(2)细调：将滑块从导轨左端轻推一下，测其通过电门的时间、，调节底脚螺丝，使二者尽量接近；又从右端推一下滑块，测出挡光时间和，同样调节使二者尽量接近(一般略大于)，直至和、和之间的相对差异小于，则可认为导轨的水平已调好。 3．测出二光电门的距离S,并用游标卡尺测量挡光片上的二前沿间的距离。 （二）水平拉力法 将细尼龙线的一端系在滑块上，另一端绕过滑轮后挂一砝码盘，将10克砝码加在滑块上。将滑块置于第一光电门外侧约10厘米处(每次都必须在同一起始位置)，松开滑块，测出通过二光电门的时间间隔和(要适当调节“延时调节”使测量之前仪器自动复零)。重复测5次后取和的平均值。 （三）碰撞中的守恒定律。 　　1．