利用气垫导轨验证牛顿第二定律实验报告-中国石油大学华东

利用气垫导轨验证牛顿第二定律【摘要】：气垫导轨是为研究无摩擦现象而设计的力学实验设备，在导轨表面分布着许多小孔，压缩空气从这些小孔中喷出，在导轨和滑块之间形成了月0.1mm厚的空气层，即气垫，由于气垫的形成，滑块被托起，使滑块在气垫上作近似无摩擦的运动。利用气垫导轨，再配以光电计时系统和其他辅助部件，可以对做直线运动的物体（即滑块）进行许多研究，如测定速度、加速度、验证牛顿第二定律，研究物体间的碰撞，研究简谐运动的规律等。【关键词】气垫导轨、通用计数器、测速的试验方法、牛顿第二定律、控制变量法、导轨调平实验回顾【实验目的】1．熟悉气垫导轨和MUJ-613电脑式数字毫秒计的使用方法。2．学会测量滑块速度和加速度的方法。3．研究力、质量和加速度之间的关系，通过测滑块加速度验证牛顿第二定律。【实验原理】（一）仪器使用原理1．气垫导轨如图4-1所示，气垫导轨是一种摩擦力很小的实验装置，它利用从导轨表面小孔喷出的压缩空气，在滑块与导轨之间形成很薄的空气膜，将滑块从导轨面上托起，使滑块与导轨不直接接触，滑块在滑动时只受空气层间的内摩擦力和周围空气的微弱影响，这样就极大地减少了力学实验中难于克服的摩擦力的影响，滑块的运动可以近似看成无摩擦运动，使实验结果的精确度大为提高。图4-1气垫导轨装置图2．MUJ-613电脑式数字毫秒计在用气垫导轨验证牛顿第二定律实验中，我们采用MUJ-613电脑式数字毫秒计测量时间。利用它的测加速度程序，可以同时测量出滑块通过两个光电门的时间及滑块通过两个光电门之间的时间间隔。使用计数器时，首先将电源开关打开（后板面），连续按功能键。使得加速度功能旁的灯亮，气垫导轨通入压缩空气后，使装有两个挡光杆的滑块依次通过气垫导轨上的两个光电门计数器按下列顺序显示测量的时间：显示字符含义单位1通过第一个光电门的速度cm/s(亮)××·××2通过第二个光电门的速度cm/s(亮)××·××1—2在第一和第二个光电门之间运动的加速度cm/s2(亮)××·××若不是要求的单位亮则按转换键即可显示要求的单位。（二）验证牛顿第二定律实验原理验证性实验是在已知某一理论的条件下进行的。所谓验证是指实验结果与理论结果的完全一致，这种一致实际上是实验装置、方法在误差范围内的一致。由于实验条件和实验水平的限制，有时可以使实验结果与理论结果之差超出了实验误差的范围，因此验证性实验是属于难度很大的一类实验，要求具备较高的实验条件和实验水平。本实验通过直接测量牛顿第二定律所涉及的各物理量的值，并研究它们之间的定量关系，进行直接验证。1．速度的测量悬浮在水平气垫导轨上的滑块，当它所受合外力为零时，滑块将在导轨上静止或作匀速直线运动。在滑块上装两个挡光杆如图4-2所示，当滑块通过某一个光电门时，第一个挡光杆挡住照在光电管上的光，计数器开始计时，当另一个挡光杆再次挡光时，计数器计时停止，这样计数器数字显示屏上就显示出两个挡光杆通过光电门的时间Δt。图4-2滑块如果两个挡光杆轴线之间的距离为ΔL，可以计算出滑块通过光电门的平均速度为：（1-1）由于ΔL比较小（1cm左右），在ΔL范围内滑块的速度变化很小，所以可把看做滑块经过光电门的瞬时速度。2．加速度的测量在气垫导轨上，设置两个光电门，其间距为S。使受到水平恒力作用的滑块（做匀加速直线运动）依次通过这两个光电门，计数器可以显示出滑块分别通过这两个光电门的时间Δt1、Δt2及通过两光电门的时间间隔Δt。滑块滑过第一【实验误差讨论】空气阻力的影响，滑块运动的过程中总会受到空气阻力的影响，无法到达理想状况。做实验时温度气压等外在因素的影响，使得g的理论值不是那么准确验证牛顿第二定律时，砝码盘的质量因为不可直接放到天平上称量，可能不是那么准确实验存在系统误差和读书上的误差【实验优点】实验中采用气垫导轨大大减小了实验的摩擦误差，这样能够使实验数据更准确。试验中分别从质量一定，控制力的大小和力的大小一定，质量改变做运动来实施实验，更加增加了实验的准确性和全面性。【小结】做实验时，挡光片的选择需要根据第一组数据中的误差关系来选择。实验过程中要讲究细心、耐心，千万不可心浮气躁，值得一提的是在气垫导轨调平的时候要仔细观察，分为粗调和细调使得滑块静止或者左右微微摆动，细调要使t1<t2.。实验过