实验四气轨上测量滑块的速度和加速度

实验四

气轨上测量滑块的速度和加速度

【实验目的】1.掌握气垫导轨上测量滑块的速度和加速度的一种方法。2.学习使用气垫导轨和数字毫秒计。【实验仪器】气垫导轨，滑块，垫块，遮光片，光电门，数字毫秒计，气源，螺旋测微器，游标卡尺。

1．导轨:导轨是由长1.5---2.0m的三角形中空铝型材制成．轨面上两侧各有两排直径为0.4---0.6mm的喷气孔．导轨一端装有进气嘴，当压缩空气进入管腔后，就从小孔喷出，在轨面与轨上滑块之间形成很薄的空气膜(即所谓气垫)，将滑块从导轨面上托起(约0.15mm)，从而把滑块与导轨之间接触的滑动摩擦变成为空气层之间的气体内摩擦，极大地减小了摩擦力的影响．导轨两端有缓冲弹簧，一端安有滑轮．整个导轨安在钢梁上，其下有三个用以调节导轨水平的底脚螺丝。2．滑块

用角形铝材制成，其两侧内表面和导轨面精密吻合．滑块两端装有缓冲器，其上面可安置挡光片或附加重物．3．光电门

它由聚光灯泡和光电管组成．光电管与数字毫秒计相接．当有光照到光电管上时，光电管电路导通，这时如挡住光路，光电管为断路，通过数字毫秒计门控电路，输出一脉冲使数字毫秒计开始或停止计时．滑块上的挡光片在光电门中通过一次，数字毫秒计将显示出从开始计时到停止计时相应的时间t．如相应的挡光片宽度为d，则可得出滑块通过光电门的平均速度：4．挡光片

由金属片制成，呈U字形，d是挡光片第一前沿到第二前沿的距离。使用d值小的挡光片可以使测出的平均速度接近瞬时速度，即减小系统误差．但是d小时，相应的t也将变小，这时t的相对误差将变大，所以测量速度时，不宜于用d很小的挡光片．至于平均速度和瞬时速度的差异可以另行设法补正．5．使用气轨的注意事项(1)防止碰伤轨面和滑块：滑块与轨面之间只有不到0.2mm的间隙，如果轨面和滑块内表面被碰伤或变形，则可能出现接触摩擦使阻力显著增大．

(2)检查轨面喷气孔是否堵塞：气轨供气后，用薄的小纸条逐一检查气孔，发现堵塞要用细钢丝通一下．(3)用纱布沾少许酒精擦拭轨面及滑块内表面．(4)气轨未供气时，不要在轨上推动滑块．存储式数字毫秒计

存储式数字毫秒计具有存储功能，时基精度高（微秒级）的测量时间间隔的数字计量仪器。可做计时、计数等使用。可与J2125型气垫导轨、J0471型自由落体仪、J2127型斜槽轨道等配合使用，来测量速度、加速度、重力加速度、周期等物理量和碰撞等实验，并直接显示实验的速度和加速度的值。一、面板说明1.数据显示窗口：显示测量数据、光电门故障信息。2.单位显示：[s]、[ms]、[cm/s]、[cm/s2]或不显示（计数时不显示单位）3.功能选择指示：4．[功能]键：功能选择5．[清零]键：清除所有实验数据6．[停止]键：停止测量，进入循环显示数据或锁存显示数据。7．[6V/同步]键：与J04217型自由落体实验仪或J2127型斜槽轨道配合使用。CS1S2TagColSgl计数

遮光时间

间隔计时

振子周期

加速度

重力加速度

碰撞

时标

二、操作使用说明1．实验准备工作，光电门和显示器件的自检。1.1实验准备工作：（1）将两个光电门插头插入1号、2号光电门插座；（2）接上220V交流电源，打开电源开关；（3）开机后自动进入自检状态；依次按[功能]键，选择需要的功能，循环顺序如下：1.2光电门和显示器件的自检开机或按[功能]键选择自检功能，都将进入自检状态。当光电门无故障时，屏幕循环显示各显示器件，当光电门发生故障（如：接触不良、损坏、遮挡光电门输入电路出现故障等）时，屏幕将闪烁着该光电门的号码，不做循环显示工作。这时，必须先排除故障，程序才能继续运行。“S1”——遮光计时用挡光片对任意一个光电门一次遮光，屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间。可连续作1~255次实验，但只存储前10个数据。按[停止]键，立即进入循环显示存储的数据状态。按[清零]键，清除所有实验数据，又可重新做实验。“S2”——间隔计时用挡光框对任意一个光电门依次挡光，屏幕依次显示出挡光间隔的次数和挡光的时间。可连续做1~255次实验，只存储前10个数据。按[停止]键，先依次显示测量的间隔时间数据，再依次显示与之对应的速度数据，并反复循环。“a”——测加速度配合J2125型系列气垫导轨、挡光框和两个光电门作运动物体的加速度实验。运动体上的挡光框通过两个光电门之后自动进入循环显示：1：挡光框通过第一个光电门（不是指1号光电门，是指实验的顺序）的时间间隔。2：挡光框从第一个光电门运动至第二个光电门的间隔时间。3：挡光框通过第二个光电门的时间间隔。V1：挡光框通过第一个光电门的速度；V2：挡光框通过第二个光电门的速度；a

：挡光框通过第一个光电门至第二个光电门之间的运动加速度。并反复循环显示上述6个数据。按[清零]键，清除所有实验数据，又可重新做实验。【实验原理】1、测量滑块的速度物体作直线运动时，如果在某时刻到的时间间隔内，通过的位移为，则物体在该的时间间隔内的平均速度为该时刻的瞬时速度为显然，越小，就越接近于瞬时速度。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，以保证很小，在一定的误差范围内用平均速度代替瞬时速度。2、测量滑块的加速度

如图所示，物体由静止出发沿斜面作下滑运动，在摩擦阻力忽略不计的情况下，物体作匀加速直线运动。则有

两式相减，得：

即

可见，只要测量出物体在A点和B点的速度及AB间的距离，就可以算出物体的加速度。3、测量重力加速度

此外，根据牛顿第二定律可得：

当很小时，有，

则

有(4-2)

由上式可见，只要测量出L和h以及滑块在倾斜气垫导轨上的加速度，就可以算出当地的物体加速度g值。

【实验内容】一、检查数字毫秒计的工作情况1.首先掌握数字毫秒计面板上各开关、按钮和插座的用途，正确连接好数字毫秒计和光电门之间的连线。2.打开仪器电源开关，电源指示灯和数码管应全部点亮。选择功能置于“”。3.用手指遮挡任意一只光电二极管，毫秒计开始不断计数，再遮挡一下，计数停止。4.按下“清零”按钮，显示数字复零，表示仪器工作正常。二、调节气垫导轨水平1.粗调：调节导轨下的三只底脚螺丝，使导轨大致水平。2.静态调平：将滑块放在导轨上，接通气源，这时滑块在导轨上自由运动，调节导轨的单脚底脚螺丝，使滑块基本静止。3.动态调平：将两个光电门相距60cm左右。在滑块上安放开槽遮光片，选择“

s2”。轻轻推动滑块，分别读出遮光片通过两个光电门的时间和，反复调节单脚螺丝，使它们相差很小，认为气垫导轨基本水平。三、测量滑块的速度1.在导轨的单脚螺丝下垫放一厚度为1cm的垫块。2.用游标卡尺测量U型遮光片的宽度，如图所示。（或)。3.使滑块从导轨垫高的一端某一固定位置由静止开始下滑，记下遮光片通过第二光电门的时间，重复五次，求出，算。四、测量滑块的加速度1.用米尺测量两光电门之间的距离。2.将滑块从导轨垫高端滑下，分别记下遮光片经过两光电门的时间和，计算、和a。3.重复上述步骤2测量5次，将数据填入表4-2中，并计算出。五、测量重力加速度1.按图，用米尺测量单脚底脚螺丝到另外两个底脚螺丝连线间的距离L，用螺旋测微器测量垫块的厚度h。将数据填入表4-3中。2.按式（4-2）计算重力加速度g值，计算不确定度。【测量数据】次数12345平均表4-1表4-2次数12345平均表4-3次数12345平均L/cmh/mm【注意事项】1.