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实验3 在气垫导轨上测加速度
在物理实验中,由于摩擦的存在,使某些力学实验结果的误差很大,甚至使有些实验无法进行。气垫导轨是一种阻力极小的力学实验装置。,其一端封闭,另一端为进气口。利用小型气源将压缩空气压入导轨空腔,再从导轨表面上的小孔喷出气流,在导轨与滑行器之间形成一层很薄的气膜,将滑行器浮起,使滑行器能在导轨上作近似不受阻力的直线运动,极大地减小了在力学实验中由于摩擦力的存在而出现的误差,使实验结果接近理论值,实验现象更加真实、直观和易于接受,从而可以进行一些较为精确的定量研究。工业上应用气垫技术,还可以减少机械或器件的磨损,延长使用寿命,提高速度和机械效益。所以,在机械、纺织、运输等工业生产中已得到广泛的应用,如气垫船、空气轴承等。
[实验目的]
1、熟悉气垫导轨的调整和数字计时器的使用。
2、观察匀速直线运动、匀变速直线运动,验证匀变速直线运动的规律。
3、学习在气垫导轨上测滑块的速度和加速度的方法。
[实验仪器与用具]
气垫导轨、气源、电脑计时器、滑块、垫块、钢卷尺等。(见图1)
(1滑块、2气垫导轨、3电脑计时器、4气源)
图1 气垫导轨
[实验原理
]
物体做直线运动时,如果在某时刻t到t+Δt的时间间隔内,物体运动通过的位移为Δx,则物体在该Δx的时间间隔内的平均速度为
=?x
?t
该时刻t的瞬时速度v为
v=lim?t→0?x?t
显然,Δx越小,就越接近于瞬时速度v 。在实验中要测量物体在某时刻(或某位置)的瞬时速度是无法实现的。通常是选取较小的Δx,以保证Δt很小,在一定的误差范围内用平均速度代替瞬时速度。
如图2所示,在气垫导轨组成的斜面上,A、B均是光电门,分别用v1和v2表示滑块通
过光电门时的瞬时速度,用t表示滑块从A滑到B所用的时间。滑块由静止出发沿斜面下滑作匀加速直线运动(摩擦阻力忽略不计),则有
Lh
图2 测速原理
v1≈?x1?t1
?x2
?t2 v2≈
a=v2-v1
t
由上式可见,只要测出v1、v2和t就可算出物体的加速度a 。此外,设加速度的理论值为a0 ,根据牛顿第二定律可得:
F=ma0
mgsinq=ma0a0=gsinq
a0=g
hL
当θ很小时,有
sinq≈tgq=
h
L,则有
由上式可见,在已知本地区重力加速度g的情况下,只要测出h和L,就可算出物体加速度的理论值a0 。
[实验内容和实验步骤]
1、接信号线,插导气管;
2、将电脑计时器调至“加速度a”功能,并按下转换键,将遮光板宽度设定为“3 .0”; 3、导轨调平:调节导轨单腿。有二种方法:a:静态调平,调节到滑块在导轨不滑动。b:动态调平,将光电门的距离调节在40-60cm之间,给滑块速度,让滑块滑动,通过二个光电门的时间相同。本实验是用动态调平;光电门的距离调节在40-60cm之间,给滑块速度,速度不能太大或太小,当遮光板宽度设定为“3 .0”,通过的时间为45ms左右,控制在40-50ms之间。,我们认为调平;
4、用钢卷尺测出L,并在导轨单腿下垫两个垫块,垫下垫块时不能移动导轨单腿的位置;