气垫导轨上测量速度和加速度.doc

实验三气垫导轨上测量速度和加速度
【目的】
。
、瞬时速度和加速度的方法。
、质量和加速度之间的关系。
【原理】
利用从导轨表面上的小孔喷出的压缩空气,使导轨表面与滑块之间的摩擦力大大减小,气轨上的滑块运动几乎可以看做是无摩擦的运动。当气轨水平放置时,自由漂浮的滑块所受的合外力为零,因此,滑块在气轨上可以静止,或以一定的速度作匀速直线运动。在滑块上装一与滑块运动方向严格平行、宽度为的挡光板,当滑块经过设在某位置上的光电门时,挡光板将遮住照在光敏管上的光束,因为挡光板宽度一定,遮光时间的长短与滑块通过光电门的速度成反比,测出挡光板的宽度和遮光时间,则滑块通过光电门的平均速度为:
(2-13)
若很小,则在范围内滑块的速度变化也很小,故可以把平均速度看成是滑块经过光电门的瞬时速度。越小,则平均速度越准确地反映该位置上滑块的瞬时速度,显然,如果滑块作匀速直线运动,则滑块通过设在气轨任何位置的光电门时瞬时速度都相等,毫秒计上显示的时间相同,在此情形下,滑块速度的测量值与的大小无关。
若滑块在水平方向受一恒力作用,滑块将作匀加速直线运动,分别测出滑块通过相距S的2个光电门的始末速度和,则滑块的加速度:
(2-14)
根据牛顿第二定律
F= m a (2-15)
如图2-11所示,水平气轨上质量为M的滑块A,用细绳通过轻滑轮B与砝码C相连,在忽略各摩擦力,不计线的质量,线不伸长的条件下,对于滑块A,根据牛顿第二定律有
T= M a (2-16)
式中T为绳子的张力,对于质量为m的砝码,根据牛顿第二定律有
mg - F= m a (2-17)
图2-11 验证实验装置
由式(2-16)和式(2-17)得
mg =(M+m)a (2-18)
式(2-18)表明,当系统总质量保持不变时,加速度与合外力成正比,当合外力保持恒定时,加速度与系统总重量成正比,若实验证明了式(2-18)成立,亦即验证了牛顿第二定律。
,研究外力与加速度的关系
由式(2-18)得:
(2-19)
实验可测得对应与不同的的加速度,以为纵坐标,为横坐标做关系曲线,若①各实验点的连线为一条直线;②该直线过坐标;③该直线的斜率,则式(2-19)成立。
,研究系统质量与加速度的关系
由式(2-18)得:
(2-20)
实验可得对应于不同M的加速度,以为纵坐标,为横坐标,做其关系曲线,若①各实验点的连线为一条直线;②该直线过坐标原点;③该直线的斜率为b=k2=mg,则式(2-20)成立。
【仪器】
气垫导轨,数字毫秒计。
【实验内容与步骤】
,研究外力与加速度的关系
①启动气源向气轨送气,用清洁的棉纱沾酒精擦拭导轨表面及滑块内表面。
②在装有与滑块运动方向严格平行的U型挡光板的滑块上,放4~5个砝码( g),将滑块放在导轨上轻轻推一下,使之来回运动, mm的2个光电门的时间,仔细调节导轨底脚螺丝(应调节单脚螺丝),使导轨持水平状态。
③ g的砝码盘用细绳饶过定滑轮系到滑块上,将滑块置于远离滑轮的另一端的某一个固定位置,待砝码