《气垫导轨设计性实验的研究》-毕业论文设计（学术).doc

东北林业大学毕业论文 PAGE 2 w 气垫导轨设计性实验的研究 1 绪论 1.1 气垫导轨设计性实验研究的意义 60—70年代气垫导轨在我国教育领域的出现，给我们的力学教学实验带来了新的气象。气垫导轨是利用气源将压缩空气打入导轨的空腔内，再由导轨表面按一定规律分布的小孔中喷射出来，在导轨平面与滑行器内表面之间形成一个薄空气层——气垫，使滑行器悬浮在导轨上，滑行器在运动中只受到很小的空气粘滞阻力的影响，能量损失极小，故可以近似地看作是无摩擦阻力的运动。极大地减少了由于摩擦引起的误差[1]。气垫导轨实验是力学实验的重要组成部分，它可以对一准直线运动作比较精确的研究[2]。气垫导轨是一种摩擦很小的运动实验装置，利用它可以进行多种力学实验的测量与分析。为保证实验的效果，首先应该对所用导轨在实验中的一些参数做充分的分析和测定；其次，在利用导轨参数的基础上对具体的实验数据还要进行合理的处理，这样往往能获得较满意的结果[3]。目前利用气垫导轨的实验多是单纯的基础实验，难度较低，知识分离。这样不利于锻炼学生分析问题解决问题的能力，如果在能完成测定匀速直线运动的速度，验证牛顿第一定律；测定变速直线运动的平均速度，瞬时速度和加速度；验证牛顿第二定律，动量守恒定律和机械能守恒定律等单一实验的基础上在气垫导轨上开设设计性实验，拓展思维，进行创新型实验，可以使学生把所学知识连贯起来，或进行误差分析，提高实验的精确度。气垫导轨拓展实验具有很强的综合性及再现性，适合学生探索性的分组实验，有利于提高学生的动手能力和协作能力，更有利于学生结合所学的知识来更进一步学习与探索[4]。这样加大了实验难度，即提高了学生对实验的兴趣，又使实验仪器得到进一步发展，还使学生的综合能力得到开发和锻炼。能开阔学生的视野，活跃思维，把注意力更多的集中在分析问题，解决问题上，善于发现生活中的物理现象，从多种角度去研究实验，主动发现创新点，提高学生的动手能力。 1.2 气垫导轨设计性实验的方法与发展现状 利用刚体转动仪测量刚体的转动惯量实验，是国内外许多高校在力学实验中经常开设的实验[5]。但普遍存在如下的问题：首先无法消除或确定由于转轴摩擦而引起的摩擦力矩；其次通过测量物体下落的高度和时间来计算物体的加速度，在测量这两个物理量时采用停表和卷尺，由于人为操作因素往往对实验带来很大误差。为了解决以上两个问题，可以把气垫导轨和刚体转动仪二者结合起来，把测量物体的加速度这一环节直接通过与气垫导轨相连的光电门和电脑计数器来实现，则使本实验更加简便而精确。同时使传统的气垫导轨实验和刚体的转动惯量测定实验内容得以更新，解决了只用刚体转动仪不能消除摩擦力矩的弊端,取得了很好的效果。角动量守恒定律与动量守恒定律、能量守恒定律一样都是自然界中的普遍规律。它既适用于宏观客体,又适用于微观世界;既适用于低速运动场合,也适用于高速运动情形。因此它是一个非常重要的物理定律。大学物理实验中,在气垫导轨上研究物体的运动情况都是在其质量保持不变的情况下进行的。实际中，往往遇到的是研究主体的质量不断减少(或增加)或者质量为时间的变函数,而且物体在运动过程中受力也不一定是恒力[6]。所以很多国内外学者都研究实现变质量变力的物体运动方案。都达到预期的效果。本论文的设计性实验要参考各个高校的实验设计经验而展开，并对实验数据进行误差分析。 1.3 论文的主要内容 本论文首先介绍了气垫导轨的原理及构造，并做了基础的验证牛顿第二定律实验，对实验数据进行处理。然后在此基础上展开设计性实验。用气垫导轨测量重力加速度，进行了关于气垫导轨测量重力加速度实验的系统误差分析及数据处理技巧，简谐振动的研究，设想了利用气垫导轨验证系统刚体角动量守恒定律等实验。 2 验证牛顿第二定律的实验 中学时已学过用气垫导轨来验证牛顿第二定律,本实验用基本方法和另外的方法来验证它,并对两种方法进行比较。 2.1基础实验 (一)总质量M一定,验证外力与加速度成正比。 数据表2-1 自由落体物的质量 外力（N） =55.0g =0.539 =78.0g =0.764 =101.0g =0.990 加速度a(cm/) 173.56 246.03 324.45 173.86 245.12 325.78 174.15 245.88 321.96 平均加速度a(cm/) 173.86 245.68 321.33 体系总质量M M=317.70g 由实验数据可得出总质量M一定时，随着外力的增大，滑块的加速度也会增大，即验证了外力与加速度成正比。 (二)体系所受外力F一定时,验证体系的质量与加速度成反比。 数据表2-2 总质量 =244.70 g =267.70 g 加速度a(cm/) 185.67 170.23 184.41 169.18 184.86 17