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实验二 气垫导轨上的实验
气垫导轨就是为消除摩擦而设计的力学实验的装置,来自气源的气在开有密集小孔的导轨表面产生一层气垫。物体运动在气垫上,避免物体与导轨的直接接触,很大程度上减少了物体与导轨表面的摩擦。利用气垫导轨可以进行许多力学实验,如测定速度、加速度,验证牛顿第二定律,动量守恒定律,研究简谐振动等。
【实验目的】
1、利用碰撞特例验证动量守恒定律。
2、学习使用气垫导轨与数字毫秒计。
【实验仪器】
实验装置如图1所示,主要由气源、气垫导轨、滑块(上面装有档光片)、光电计时系统(光电门、数字毫秒计)组成。
图1 气垫导轨实验示意图
实验室用“吹尘器”作气源。
气垫导轨简称气轨,就是一条横截面为三角形的空芯轨道,轨道表面分布着许多小气孔。气轨一头封闭,另一头装有进气嘴,气流从进气嘴流入,通过小气孔喷出,当滑块置于气垫之上时,滑块与轨道之间形成气垫,将滑块浮起,滑块的运动可视为就是无摩擦的(气垫的两端装有缓冲弹簧,以免滑块冲出)。整个导轨安置在矩形梁上,梁下有三个用来调节水平的底脚螺丝。
(3)滑块、(~)就是实验中相互碰撞的两物体,、滑块的内表面可与气轨密切配合;上部装有“凹”字形的档光片,一端装有缓冲弹簧,另一端粘有尼龙搭扣,一端粘有尼龙搭扣,另一端为光滑端。
(4)光电计时测速系统由光电门、数字毫秒计(包括滑块上的档光片)组成。 光电门就是计时系统的信号接收装置,主要由安装在支架上的小聚光灯与光敏管组成,也有使用红外发光二极管与红外光敏三极管组成的光电门。聚光灯与光敏管对置于轨道两侧,工作时聚光灯发光,光敏管接收光电信号。利用光敏管所接收的光照变化来控制毫秒计的“计”与“停”,实现计时。
光电计时器在本实验的工作特点就是:光敏管第一次被遮光,开始计时,第二次被遮光,计时停止,故计时器记录的就是两次遮光的时间间隔。
x
固连于滑块上的挡光片的有效部分为“凹”字形铝片,当挡光片随同滑块通过光电门时,就使光敏管受到两次遮光,从而使计时器记下一段时间
与此段时间对应的挡光片的有效宽度,如图2所示。
运动方向
图2 档光片运动示意图
于就是滑块通过光电门的平均速度为
(1)
不大,可将近似地视为瞬时速度。本实验中,、上的挡光片的有效宽度分别为cm、cm、 毫秒计的用法此处不再详述。
【实验原理】
二、速度与加速度
物体作直线运动时,如果在时间间隔内,通过的位移为,则物体在的时间间隔内的平均速度V为:
(8)
当趋近于零时,平均速度的极限值就就是该时刻(或就是该位置)的瞬时速度。当滑块在气垫导轨上运动时,通过测量滑块上的档光片经过光电门的档光时间与档光片的宽度(见图2),即可求出滑块在时间内的平均速度v。由于档光片宽度比较窄,可以把平均速度近似地瞧成滑块通过光电门的瞬时速度。档光片愈窄,相应的就愈小,平均速度就更为准确地反映滑块在经过光电门位置时的瞬时速度。本实验中,滑块上的U型挡光片的宽度为cm,条形挡光片的宽度为cm
在水平气轨上的滑块,如果受到水平方向的恒力作用(这个恒力由加上质量为m的重物来提供),则滑块在气轨上作匀加速度运动。分别测量滑块通过两个光电门时的初速度与末速度,并测