用气垫导轨研究匀变速直线运动

研究匀变速直线运动（方法二）实验目的 1、研究匀加速直线运动的特征并测定物体的加速度。 2、学习使用气垫导轨和光电计时仪器。 3、学习用图线法处理实验数据。仪器介绍 1、气垫导轨（Air Track）气垫导轨用空心铝型材制成。从气源产生的压缩空气进入导轨的空腔中后，从它上表面的许多小孔喷出，在导轨和放在导轨上的滑块间形成气垫层。空气的压强使滑块悬浮起来，滑块运动就不与导轨摩擦，仅受到极小的空气阻力。导轨和滑块的工作面要保持清洁，避免磕碰和相互摩擦，滑块要轻拿轻放，防止变形。导轨旁安装两个光电门（Photoelectric Gate），外形如图41甲所示，支架Z上部的两个水平部分各开一孔，A孔中固定红外线发射管，向上射出红外线，被固定在B孔中的光电三极管接收。滑块顶部水平安装挡光器，有条形和U形两种，如图41乙、丙所示。滑块运动时，挡光器通过光电门，会遮挡由A射向B的红外线，向计时器送出电脉冲。 2、数字式计时器（Digital Timer） 数字计时器有多种型号，基本功能相同。用电缆将光电门接到计时器上，就组成了光电计时系统。常用的功能如下：当任一光电门被挡光时就开始计时，当此光电门被再次挡光或另一光电门被挡光时停止计时。测出的时间由数码管显示，可以有36位有效数字，最小示值为0.1毫秒。示值误差为末位数的士1，这是计时器本身的工作原理造成的，操作方法见说明书。滑块位移较长时，应使用条形挡光器与两个光电门配合，如图 42甲所示。将光电门G1、G2。分别置于位移的起点和终点，以光电门中心定位，a为挡光条的前沿，在a分别对 G1和G2挡光的时刻开始和停止计时，测出位移s所经历的时间t。测量结果与挡光条的宽度无关。对于一段很短的位移，应使用U形挡光器与一个光电门配合，如图42乙所示，当挡光器的第一前沿a1对光电门G挡光的时刻开始计时，到第二前沿a2对G挡光的时刻停止，a1到a2的距离s叫挡光宽度，测出的是以光电门中心起点的这段位移所经历的时间t。挡光宽度s已给出标称值，偏差一般小于0.2毫米，必要时可用卡尺测量。电脑型计时器具有存贮功能，只需在滑块上安装U形挡光器，按图43所示的方式运动，就能在一次运动过程中同时测出它在光电门G1、G2处位移s所经历的时间t1，t2和由G1到G2这段长位移s所经历的时间t，都以第一前沿a1为起始点。光电门的位置由其支架上的指针在导轨旁标尺上的读数确定。为了提高定位准确度，可借助滑块上挡光器边沿对光电门的挡光反应测定。实验原理如图44所示，将导轨支成斜面，光电门G1、G2分别固定在 A、B点，滑块中央安装挡光宽度为s的 U形挡光器。从 O点释放滑块测出它分别通过G1、G2的时间面t1、t2及由G1、G2的时间t。对于变速运动，比值是平均速度。若选用很小的s值，则t也很短，就可以将平均速度近似地作为瞬时速度，于是得到、。将G1固定在A，G2先后放在若干不同的位置，如B、B，重复由O点释放滑块，测出若干组t、v值。若滑块做匀加速运动，则由上述数据画出的v一t图线为一条上升的直线。求滑块加速度有多种方法。一是速度一时间法，即依据v一t图线的斜率求；二是速度一位移法，在上述实验过程中再测出G1到G2的距离s，则（4.1）三是位移一时间法，在上述实验过程中测出两组数据sl、tl和s2、tl，则（4.2）内容和方法 1、调节气轨。先将横向调正，眼对着横截面，旋动双支脚螺丝，不歪斜即可。再将纵向调平。将未装附件的滑块放在通气的导轨中部旋动单支脚螺丝，直到滑块能自然地静止。 2、将厚度合适的垫块放在单支脚下，使导轨成为倾角23的斜面，下端装好缓冲器。 3、选用质量大的滑块，在其中部安装s最小（标称值1.00厘米）的U形挡光器。使光电门G1位于导轨上部某处，G2位于与G1距离s为 5060厘米的低处，测出 s值。试从高于G1的某处释放滑块，观测它经过G2的时间面t2，改变释放点，使t2尽量短，但不小于10毫秒并要测出三位有效数字。这样就选定了合适的释放点O。4、G1不动，改变G2的位置，使s从 70厘米每次减小约 10厘米，重复由 O点释放滑块测出五组不同的t2、t、s值，每组的t2和t都要重复测三次取平均值。滑块通过G1的时间t1不受G2位置的影响，取几次测量结果的平均值即可，自行设计表格记录上述数据。若使用非电脑型计数器，测t时要换用条形挡光器，并且必须让它的前沿a与测量t1、t2时U形挡光器的第一前沿a1在滑块上的位置相同，最好按图45那样，让a1和a都对齐滑块前端。功能较强的电脑计时器能连接四个光电门，使实验操作简化。按前述要求将光电门G1、G2、G3、G4固定在导轨上不同位置，滑块上安装U形挡光器，在一次运动过程中，即可测出它分别通过每个光电门的时间面t1、t2、t3、t4和G1到G2、G2到G3、G3到G4各自所经历的时间t1、t2、t3。 5、求出与各个时刻t对应的v值。在坐标纸上建立横轴t，每小格代表0.01或0.02秒；纵轴v每小格代表0005米秒，起始值不必为零，比实验测出的最小v值稍小即可。将实验数据点画在坐标中，看它们是否近似分布在一条倾斜的直线上，从而判定滑块是否做匀加速运动。 6、画一条直线与上述数据点拟合。计算它的斜率得到加速度a。 7、练习用速度一位移法求加速度。只取s值较大的某一次的v0和v，由（4.1）式计算a。结果应当与前面方法得出的相符。 8、练习用位移时间法求加速度。取两组差别较大的t、s数据，由（4.2）式计算a。结果应当与前面方法得出的相符。问题讨论 1、本实验中测瞬时速度时，为什么要求t尽量