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气垫导轨上碰撞实验的误差分析及修正
第 30 卷第 2 期
2012 年 4 月
沈阳师范大学学报( 自然科学版)
Journal of Shenyang Normal University ( Natural Science)
Vol. 30No. 2
Apr. 2012
文章编号: 1673-5862( 2012) 02- 0208- 04
气垫导轨上碰撞实验的误差分析及修正
皓1 ,杨
梅2 ,魏海光3
陈
( 1. 沈阳师范大学 物理科学与技术学院,沈阳 110034; 2. 辽东学院 化工与材料学院,辽宁 丹东
118003;
3. 沈阳皇姑热电有限公司,沈阳
110035)
摘
要: 气垫导轨在力热实验中应用较多,其实验误差来源也比较多。在教学实 践 过 程 中,
实验结果和理论之间存在着许多不相符的地方,使学生对实验过程有很大的疑问。文章以实验中
出现的实际问题出发,从气垫层的内摩擦力、平均速度代替瞬时速度以及气垫导轨调平等方面对 实验中容易出现系统误差的几个方面进行了分析。通过对理论公式的分析,提出了理论公式的修 正公式或修正实验测量 数 据 的 方 案,并根据修改后的方案对实验进行 了 重 新 测 量。实 验 结 果 显 示,通过对实验公式和实验过程的修正,实验结果大大提高了实验的精准性,确实减小了实验中的 系统误差,使得实验测量结果与理论计算结果基本一致。
关 键 词: 气垫导轨; 碰撞实验; 系统误差; 误差分析
中图分类号: O4-33
文献标志码: A
doi: 10. 3969 / j. issn. 1673-5862. 2012. 02. 019
0
引
言
在普通物理实验中,气垫导轨作为一种常见的实验仪器被广泛使用,并配以光电计时器,使得实验
误差大大减小,测量精度大大提高[1-4]。但在教学实践过程中,我们发现实验结果和理论之间还存在很
多不相符的地方,有必要对气垫导轨上的系统误差作详尽的讨论,分析实验过程中常遇到的系统误差以
及改进的方法。
1
气垫层的内摩擦力所带来的系统误差
1. 1
问题的提出
任何实验仪器都不可能绝对避免实验误差的出现,只能尽可能的减小实验的误差,气垫导轨也是一
样。虽然气垫导轨大大减小了运动时的接触摩檫阻力,但在实际中滑块的运动仍要受到气垫层的粘性
摩擦阻力和空气阻力的影响[5-9]。滑块在气垫导轨上以速度 v 运动时,滑块下方气垫中的空气将以不
同的速度运动,由流体力学中的相关理论可知[10-11]:
dv
F阻 = ηS dz
( 1)
式中 η 为空气的粘度; S 为接触面积; dv为速度梯度,因滑块与气垫导轨之间的气垫层不厚,所以速度梯
dz
度可以做一简化。设气垫厚度为 z,则dv≈ v ,即
dz z
ηS
F阻 = z v
( 2)
收稿日期:
基金项目:
2011 - 01 - 14。
辽宁省科技厅科学技术项目( 2010220012) 。
陈 皓( 1975 -) ,男,吉林通化人,沈阳师范大学讲师,硕士。
作者简介:
由于气垫层粘性摩擦阻力的作用,滑块在已调平的气垫导轨上运动时,会造成一定的速度损失,由
动能定理可得到
1
1
1
2
2
F阻 S = 2 mv0 - 2 mv1 = 2 m? v0 + v1 ? ? v0 - v1 ?
( 4)
2F阻 s
1
所以,滑块在运动过程中的速度损失可以写成 Δv = v0 -v1 = m? v v ? ,又因为 珋v = 2 ? v0 +v1 ? ,F阻 = bv,所以
0 + 1
Δv = = b珋vs = b s
( 5)
m
m珋v
由式( 5) 可知,速度的损失与粘滞力常量有关。在实验中分别测量出滑块在一定距离的光电门之
间在两个不同方向上运动所产生的速度损失,利用式( 5) 的变形公式求出气垫导轨的粘性阻力常量
ΔvAB ΔvBA
+
b = m
( 6)
s
2
式( 6) 还消除了滑块所受的空气阻力和气垫导轨上垂直于滑块运动方向喷出的压缩空气对运动滑块所
产生的阻力作用。把式( 6) 代入式( 3) 就可以修正气垫导轨气垫层的粘性摩擦阻力所带来的系统误差。
表 1
实验数据修正结果
-3
vA
vB
F = m0 g-b珋v
m计 = F / a
m0 ×10
a
b珋v
m·s-2
m·s-1
m·s-1
N
kg
kg
N
4. 90
9. 90
14. 90
0. 266 3
0. 375 0
0. 462 5
0. 452 5
0. 638 6
0. 783 7
0. 222 7
0. 445 4
0. 668 6
0. 000 673
0. 000 953
0. 001 170
0.
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