《大学物理实验》204 气轨上的实验

解得
m2 g = (m1 + m2 )a
（1）
设 M = m1 + m2 为系统的总质量， F = m2 g 就是这个系统所受的合外力。（1）式可
实验 4.1 验证牛顿第二定律
一．实验目的
1．学会测量物体的速度和加速度。 2．验证牛顿第二定律。
二．实验原理
m1
m2
图8
如图 8 所示，设滑行器的质量（包括挡光片、弹射器、搭扣等附件）为m1，砝码盘与 砝码盘内砝码的质量为m2，略去阻力和滑轮质量,设细线的张力为T，根据牛顿第二定律
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⎩⎨⎧Tm2=gm−1Ta = m2a
行键即进入测频。 此时只要在
机箱后部测频口有稳定的输入，
屏幕便显示被测频率。显示单位
为 Hz 。
3.10） 8CC （测碰撞数据）
当显示为 8CC 即为测碰撞
功能。 此时需将“功能键”按下
图7
使右下角灯亮。 显示为 8CC
时，按执行键选择开口挡光片宽
度 S 。用选择键选择完之后，再按执行键，显示消失，等待滑块通过光电门。图 7 示，
重新测一个时间间隔。
3.4) 2pr （测二个时间间隔）
通过按选择键使显示为 2pr 时，
即进入测二个时间间隔功能。按下执
行键，屏幕显示消失，等待光电门 A
或 B 的二次挡光（指开口挡光片，下
同）。二次挡光后屏幕显示后一次时
图6
间间隔△t2，再按选择出现第一次挡光
△t1。每按一次选择键交替显示△t1 和△t2 。完成一次 2pr 功能后再按执行键则再作一
在 1pr 、2pr 、3－V 、4－V 功能时、测时器具有自动延迟功能。 自动延迟功能即：在
测定并显示一个数据后，延迟若干时间，然后自动进入再次测试。 使用时只需将自动 / 手
动键按下，使右上角灯熄灭即可。 延迟时间可预选设置。 设置方法是：在显示为 HELLO
时，按执行键，显示 1.00 。按选择键，显示分别出现 3.00 、 5.00 、 7.00 以上数据分
二．实验仪器
QG02 型气垫导轨，DB-3A 型微音气泵， CS－Z 型数字测时器等。 实验装置主要包括三个部分：气源、气垫导轨和光电测量系统。
（一）气源 气源是由电动机带动风扇转动形成压缩空气的装置，压缩空气用导管通到气轨的进气 口。 （二）气垫导轨 如图 1 所示，本实验采用 QG02 型气垫导轨。
加速度时。使用一块装有开口挡光片的滑块）。二次挡光后，出现数据显示，即 V2 ，按
选择键显示 V1，再按选择键又交替显示 V2 、V1 ；按执行键则显示（按该键后，则 V2 、
V1 清除）即为滑块的平均加速度。
3.8） 6Pd （测周期）
显示为 6Pd 即为测周期功能。 可选预置周期数。进入测试后，显示剩余周期计数。 显
显示消失、再测新碰撞数据。
注： V1（A）、V2（A）、V1（B）、V2（B）均以单位 mm/s 显示。
3.11） 9EV （事件计数）
当显示为 9EV 时即为事件计数功能。 此时亦需将“功能键”按下，使左下角灯亮。 按
下执行键，显示出现 0。之后开口挡光片每经过光电门 A 一次，显示就加 1 。
3.12） 自动延迟
电门 B 后（开口挡光片通过一次，不开口挡光片通过二次），屏幕就显示△t ，单位为 ms 。
图 5 所示，例 1：使用光电门 A，安装开口挡光片，可测示通过 A 的△t。图 6 所示，例 2：
使用光电门 A 和 B ，安装不开口挡
光片，可测出滑块移动自 A 至 B 的
时间，完成一次操作后再按执行键则
2.2） 检查电源开关处于 OFF 位置。
2.3） 将电源线插头插入测时器电源插座上，另一端插入交流 220V 插座。
3． 使用步骤
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3.1） 将测时器电源开关按至 ON 位置。出现 HELLO 显示。
3.2） 功能选择
显示 HELLO 时按选择应出现： 1pr
以后每按一次选择键应分别出现：
2pr ，3－V ，4－V ，5A ，6pd ，7Fr ，8CC ，9EV
图1
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1.导轨。 导轨（如图 1 所示）是一根固定在钢架上的三角形金属空腔管，在空腔管的侧面钻有 数排等距离的小孔。空腔管的一端封闭，另一端通过塑料管与气泵相连。气泵将压缩空气 送入空腔管后，再从小孔高速喷出。在导轨上安放滑块，在滑块的上下部间便形成了一定 的压力差，这个压力差超过滑块本身的自重时，滑块便浮起；在导轨下装有调节水平用的 底脚螺丝和用于测量光电门位置的标尺。 2．滑块 滑块由角铁制成，其内表面可以与导轨的两个侧面密合。当气流从导轨上的小孔中高 速喷出时，在滑块和导轨(图 2 所示)之间形成很薄的空气层，使滑 块悬浮在导轨上，一般气膜厚度大约 10 ～ 200 微米之间，故此 滑块可以在导轨上近似无摩擦的直线运动。滑块中部的上方水平 安装着挡光片，与光电门和计数器相配合，测量滑块经过光电门 的时间或速度。滑块上还可以安装配重块（用以改变滑块的质量）、 弹性碰撞器（弹簧）、非弹性碰撞器（像皮泥）等配件，用于完成 不同的实验。 3. 气垫导轨的调平 将气垫导轨放置在实验桌上，接通并开启气源，将一滑块放置 在导轨的中点及距离两端 1/2 处。调节气垫导轨的高度调节旋钮，使旋钮的上边缘处于高 度标尺 0 处，调节横向水平调节旋钮，使滑块基本静止在气轨中部或作不定向的游动。 注意在调节横向水平调节旋钮时，尽量使导轨横向水平，一般实验中可通过目测，使导轨 横向水平。 4. 气垫导轨滑轮的使用 将滑轮组件上有圆缺口朝上，铜杆插入气垫导轨一端的发射架上的孔内，通过目测旋 转滑轮使滑轮垂直向下，然后旋紧发射架上的紧固螺丝旋钮，固定滑轮组件。 用一根细线（长度根据实验要求）一端穿过滑块上部两端的连接片上的小孔并打结（活 结），另一端和法码盘连接，将细线跨过已安装在气垫导轨上的滑轮槽内，当接通电源时， 浮起的滑块即在外力（法码盘）的作用下运动。 5. 遮光片的选用 遮光片有两种形式，即无槽的 S1 型和有槽的 S2 型。遮光片安装在滑块上，遮光片 的槽口应放入滑块的顶部，再用螺丝旋钮旋紧固定。遮光片要经过光电门中间（图 3）。应 当注意，选用的遮光片的形式应与数字测时器功能的选择一致。 6. 发射架－用来获得滑块的基本相同的初速度 7. 碰撞弹簧的修整 滑块两端的弹簧与气轨端座的弹簧碰撞必须呈对心碰撞。如果 碰撞偏斜，滑块运动时就会左右摇摆，造成能量损失，产生较大 的实验误差。气垫导轨采用低噪声气源与其配套，将气源的软管 与气垫导轨的进气接口接上，启动气源，气轨表面的小孔即能喷气，在一般情况下，这样 即能使用。 （三）光电测量系统
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光电测量系统由光电门和 CS－Z 型智能数字测时器组成。光电门结构和测量原理如
图 3 所示。当滑块从光电门旁经过时，安装其上方的挡光片穿过光电门，从发射器射出的
光被挡光片遮住而无法照到接收器上，此时
接收器产生一个脉冲信号。在滑块经过光电
门旁的整个过程中，挡光片两次挡光，则接
收器共产生两个脉冲信号，计数器将测出这
示为 6Pd 时按执行键，显示 0 。每按一次选择键，显示加 1 。达到你所需要的预置数
后，按执行键即进入测周期操作。此时显示为 YES 。 使用开口挡光片，挡光片每挡光
二次，显示的预置数就减 1 。最后一次挡光后，显示为时间总数，显示单位为 ms 。
3.9） 7Fr （测电频率）
显示为 7Fr 时，只需按一下执
计数器背面的插座上）采集数据信号，经中
央处理器处理后，在 LED 数码显示屏上显
示出测量结果。主机由三块电路板组成，分
为主板、键盘板和显示板（图 4 所示）。
使用方法（配合使用气垫导轨）
1 准备
图4
1.1） 调整好气垫导轨，将一套或二套光电
门架固定于导轨上。
1.2） 在导轨滑块上安装好挡光片。并使挡光片正好从光电门支架中穿过。测时器将测出
挡光后，屏幕显示测得速度 V1。按选择键可显示 V2。此时再按执行键，又重复上述测速
动作。
3.7） 5A （测加速度）
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当显示为 5A 即进入测加速度功能。类似于 3－V ，按执行键后显示 2.00 ，亦可如前
操作选择其它挡光片宽度 s 。再按执行键。显示消失。等待光电门 A 和 B 的二次挡光（测
移动的挡光片二次挡光
的时间间隔△t 。
注：①标准挡光片的△s
为 2.00cm 、 2.20cm 、
2.40cm 等。
②测定速度和加速
度时必须使用开口挡光
片。
③ △t 为滑块通过
图5
△s 距离所需的时间
2． 连接
2.1）将光电门连线插头插在“光电门 A ”和“光电门 B ”插座上。
注：二套光电门必须同时插上，否则无法工作。
当滑块 A、B 分别以初速 V1（A）、V1（B）通过光电门 A 、B 后，滑块 A、B 对心碰
撞。碰撞后滑块 A 、B 再次以末速 V2（A）、V2（B）分别通过光电门 A、B，显示出现，
显示数为 V1（B）。按选择键，交替出现 V1（B）、V2（B）。记录下后 V1（B），按
执行键出现 V2（A）。此时按选择键可交替出现 V2（A）、V1（A）。 如再按执行键，
次 2pr 测时。
3.5) 3－V （测一个速度）
当滑块上安装是开口挡光片时，可测出滑块运动的平均速度。进入 3－V 显示后，按
执行键，屏幕出现 2.00 提示表示必须使用宽度 S 为 2.00cm 的开口挡光片。如想不使用
2cm 挡光片还可使用 2.2cm 、 2.4cm 等多种规格的标准挡片，只需再按选择键便可依次
实验四 气垫导轨实验
气垫导轨是一种摩擦阻力极小的力学实验装置，由导轨、滑块和光电测量系统组成。 利用气垫导轨可以观察和研究在近似无阻力的情况下物体的各种运动规律。极大地减少了 力学实验中由于摩擦力而出现的较大误差，使实验结果接近理论值，实验现象更加真实、 直观。