动力导轨平台系列设计试验讲义.DOC

动力导轨平台 设计性实验讲义（草） 编写：封玲 物理教学实验中心 2011.3. 动力导轨平台系列设计实验 在工程等实际问题中，所接触到的宏观物体的运动速度都远小于光速，经典动力学仍是解决实际工程问题的基础。动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。 动力学以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。 我们在动力导轨实验平台上可设计实验进行碰撞现象的研究、简谐振动的研究以及进行加速度、物体质量及导轨摩擦力等物理量的测量。 平台仪器 动力导轨装置（ME-9458）：导轨装置易于安装，可以精确调节到最小摩擦力，以适应做直线运动系列动力学实验。装置包括：1、弹射小车(ME-9430)，2、碰撞小车(ME-9454)，3、2.2m铝制导轨，4、水平调节脚架2个，5、可调挡板2个，6、带夹固定滑轮1个，7、磁铁缓冲器2个及其存储管，8、谐振弹簧3个，9、摩擦块1个，10、用于固定支撑棒的转轴杆夹1个，11、12平台仪器中英文说明及讲义，13、500g金属质量块2个、14、量角器1个。 力传感器(CI-6537)：力传感器实际上就是电阻应变片传感器，该传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成，弹性敏感元件在受力产生形变时，粘附在其表面的电阻应变片的电阻阻值也会发生变化，根据其阻值变化进而确定被测量的大小。该型号的力传感器输出电压范围-8 V ~ +8V，测量范围-50 N ~ +50 N，即-50 N的力能产生-8 V的电压输出，+50 N的力能产生 +8 V的电压输出，0电压则表示受力为0（一般将推力作为正值，拉力作为负值）。 力传感器安装支架(CI-6545)：用于支撑安装力传感器，便于导轨上各种条件下的受力测量。 运动传感器（CI-6742）：依据超声波脉冲遇到目标后声波反弹，探测其返回声波的原理，与PASCO计算机接口配套使用，可计算出目标的距离，根据距离与时间的测量，程序还可计算出目标的速度和加速度。 光电门（ME-9498A）：光电门也称为光电开关，利用狭窄的红外光束和快速的下降时间为计时提供精确的信号。当光门的光被挡住时，与光门相连的数字通道为0电压状态；光门透光时，与光门相连的数字通道为5V电压状态。光门传感器相当于一个数字毫秒计，它通过测量固定挡光宽度（S）和挡光时间(t)，从而可以得到该物体经过光门时的运动速度()。 转动传感器（CI-6538）：它的核心是一个光学编码器，每转（360°）最多可采集1440个数据点。通过数据采集与处理软件可以设置每转采集数据点的个数，有360个数据点和1440个数据点（即分辨率为1°或360°）两种设置，旋转的方向同样可被感知。转动传感器最常用于测量物体的转动角度与转动位置。 加速度传感器（CI-6558）：与连接PASCO的计算机接口及其相关数据接口与处理软件，可以测量5倍于重力加速度的范围，根据加速度的方向，该传感器的输出分正和负，可在+5 g到-5g范围内变化。其精度为0.01 g （g =重力加速度， 9.8 m/s2)。 电子天平（FA2004N）：电子天平是外力作用于力传感器的信号经电子电路处理，以数字形式显示物体质量。该型号电子天平称量范围为0—200g，分度值为0.1mg。 配件：砝码若干、挂钩2个。 设计类实验项目 题目 物体运动的动力学规律研究 设计内容：设计实验方案研究物体运动的动力学问题：加速度与拉力关系或加速度与质量关系、斜面上物体运动加速度与倾角的关系、力的合成与分解、超重与失重等。 设计要求： 1、设计实验加深对牛顿第二定律的理解，在导轨上研究加速度与拉力的关系，或加速度与质量关系，； 2、使用多种测量方法测量斜面下滑物体的加速度，并讨论斜面倾角与加速度的关系； 3、根据共点力的合成符合力的平行四边形定则，设计实验研究力的合成与分解； 4、利用平台设备设计实验，观察超重与失重现象，探究产生超重与失重的原因。 题目 弹簧劲度系数K测量 设计内容：测量单根弹簧的劲度系数。 设计要求：设计方案与装置采用计算机实测技术测量单根弹簧的劲度系数。 提示：实验中应用不同力拉伸弹簧到不同的长度来确定，作出拉力F与拉伸长度L的F—L曲线，直线的斜率就等于劲度系数K。拉力测量可使用力传感器，弹簧拉伸长度测量可使用转动传感器。 拓展研究： 一般采用静态法对弹簧的劲度系数进行测量，即某一拉力下测其对应的伸长量。若使用动态的方法，拉伸量的变化速度对测量结果有何影响呢；测量各类耦合弹簧系统的合成劲度系数。如测量串联弹簧或并联弹簧的劲度系数K，并与单根弹簧的劲度系数k相比较，寻找K与k的关系。 参考文献： 题目 碰撞现象研究 设计内容：碰撞有完全弹性碰撞、