气垫导轨实验.doc

实验二 气垫导轨实验

气垫导轨是力学实验中最重要的仪器之一，它能将摩擦力对测量的影响减至最小。从气泵向气垫导轨输入的压缩空气，经导轨表面的小孔喷出，使滑块悬浮起来。因此，滑块沿导轨滑动的摩擦力可以忽略不记。
利用滑块在气垫上的运动，可以测定速度、加速度，验证牛顿第二运动定律、动量守恒定律，研究弹簧振子的简谐振动等。
(一) 测量滑块的速度和加速度
【实验目的】
（1）掌握气垫导轨的水平调整和数字计时器的使用。
（2）利用气垫导轨测滑块运动的速度和加速度。
（3）验证牛顿第二定律。
A'
C '
C
B
B'
D'
D
A
图3-1 U形挡光片
x
（4）测定重力加速度。
【实验原理】
1．速度的测定
物体作一维运动时，平均速度表示为：
　　　　 (3-1)
若时间间隔或位移x取极限就得到物体在某位置或某一时刻的瞬时速度：
　 　　 (3-2)
在实际测量中，可以对运动物体取一很小的，用其平均速度近似地代替瞬时速度。
实验时，在滑块上装上一个U形挡光片（如图3-1所示）。当滑块经过光电门时，挡光片第一次挡光（或），数字计时器开始计时，紧接着挡光片第二次挡光(BB '或DD ')，计时立即停止，计数器上显示出两次挡光的时间间隔。由于，约1cm，相应的也很小，因此，可将之值当作滑块经过光电门所在点（以指针为准）的瞬时速度。
2．加速度的测定
　　当滑块作匀加速直线运动时，其加速度可用下式求得：
　　　　　　　 (3-3)
其中和分别为滑块经过前、后两光电门的瞬时速度，和为与之相对应的光电门的位置（以指针为准）。
和可用前述方法测得，和可由附着在气垫导轨上的米尺读出。
3．验证牛顿第二定律
牛顿第二定律是动力学的基本定律。其内容为物体受外力作用时，所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，并与物体的质量成反比。
忽略滑块与气垫导轨之间的滑动摩擦力和细线的质量，则可列出滑块系统的一组动力学方程：
(3-4)
其中为滑块的质量，为砝码盘和砝码的总质量，为细线的张力，见图3-2。
解方程组（3-4），得系统所受合外力为：
(3-5)
从（3-5）式中可见，当滑块系统质量一定时，。实验中，测量出一组在不同外力作用下滑块的加速度值，以为横坐标，为纵坐标，作a-F曲线，观测该图的特征。若所绘制的a-F图为过原点的直线，其平均斜率近似为，即可验证：物体加速度的大小与所受合外力的大小成正比。
从（3-5）式中还可见，当滑块系统所受的合外力一定时，。改变滑块的质量，测量一组在不同质量下的滑块的加速度值，以为横坐标，以为纵坐标，作曲线，观测该图的特征。若所绘制的图为过原点的直线，其平均斜率近似为，即可验证：物体所获得的加速度的与物体的质量成反比。
由此可验证牛顿第二定律。
【实验仪器】
气垫导轨、滑块、砝码、MUJ-IIB型电脑通用记数器，微型气泵。

【实验内容】
实验前仔细预习实验介绍，阅读附录，弄清仪器结构、使用方法和注意事项。
1．气垫导轨的水平调节
对气垫导轨的水平调