实验二气垫导轨上的实验

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，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1m 、2m （1m ~22m ）是实验中相互碰撞的两物体，1m 、2m 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，1m 一端装有缓冲弹簧，另一端粘有尼龙搭扣，2m 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。

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t 与此段时间对应的挡光片的有效宽度x ，如图2

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

t

x

=

υ （1） x 不大，可将v 近似地视为瞬时速度。本实验中，1m 、2m 上的挡光片的有效宽度分别为00.31=x cm 、00.12=x 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t ∆时间间隔内，通过的位移为x ∆，则物体在t ∆的时间间隔内的平均速度V 为：

t

x

V ∆∆=

（8） 当t ∆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t ∆与档光片的宽度

x ∆（见图2）

，即可求出滑块在t ∆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t ∆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00.31=x cm ，条形挡光片的宽度为00.12=x cm

在水平气轨上的滑块，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V 1和末速度V 2，并测出两个光电门的间距S ，则滑块的加速度a 为：

S

V V a 22

1

22

-= （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

()m M a

g M

+=

（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V 1和V 2，试比较V 1和V 2的数值，若V 1和V 2之间的差别小于V 1（或V 2）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V 1和V 2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t 1、t 2或即时速度V 1、V 2(取决于电脑计时器的功能)，其中11/t x V ∆=，22/t x V ∆=（x ∆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。

【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。

3.气泵勿长时间工作，容易发热而导致充气。

【思考题】

1、设毫秒计光电门性能正常，但滑块通过光电门时出现下列情况：①毫秒计不计时；

②毫秒计计时不停，请问各是什么原因造成的。

2、你还能想出验证机械能守恒的其它方法吗？