实验二气垫导轨上的实验

1、实验二 气垫导轨上的实验气垫导轨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、学习使用气垫导轨和数字毫秒计。【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，是一条横截面为三角形的空芯轨道，

2、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、（）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和光敏管组成，也有

3、使用红外发光二极管和红外光敏三极管组成的光电门。聚光灯和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”和“停”，实现计时。 光电计时器在本实验的工作特点是：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

4、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是该时刻（或是该位置）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看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

5、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和末速度，并测出两个光电门的间距S，则滑块的加速度a 为： （9）又设重物的质量为M，滑块的质量为m，根据牛顿第二定律有： Mg=（m+ M）a （10）则 （11） 【实验步骤】 二、速度、加速度的测量1检查光电门，使存储式数字毫秒计处于正常工作状态（电脑计时器的使用参看说明书）。2观察匀速直线运动测量速度轻轻推动滑块，观察滑块在气轨上的运动，包括和气轨两端的缓冲弹簧的碰撞情况。分别记下滑块经过两个光电门时的速度V1和V2，试比较V1和V2

6、的数值，若V1和V2之间的差别小于V1（或V2）的1时，则导轨接近水平，此时可近似认为滑块作匀速直线运动；若V1和V2相差较大，可通过调节导轨底座螺钉使导轨水平。熟悉测量滑块的速度。3气垫导轨调水平后，根据表2测量滑块在导轨上作匀速直线运动时任一位置处的瞬时速度V。4加速度的测量（1）在滑块的一端利用挂钩的丝线加上质量为m的物体，让滑块在物体的重力作用下运动，记录滑块经过两光电门后计时器所显示的时间t1、t2或即时速度V1、V2(取决于电脑计时器的功能)，其中，（为挡光片的计时宽度）。将数据记入表3中，则滑块运动的加速度a可按式（9）计算。（2）利用天平分别测出滑块与物体的质量，根据式（11）求重力加速度g。【数据记录与处理】3速度、加速度的测量数据记录表如下表2、表3。表2 速度的测量数据待测量次数 (m) (s，ms)V(m/s)123456平均值表3 加速度的测量数据待测量次数 (m)t1(s，ms)t2(s，ms)a(m/s2)123456【注意事项】1.使用气垫导轨时，切勿频繁用手触碰导轨，以免加大导轨摩擦力。2.进行测量时，应保证导轨先通气，再放滑块。