最新实验二气垫导轨实验

实验二气垫导轨实验

实验二气垫导轨的应用

气垫导轨是为消除摩擦而设计的力学实验仪器，它利用从导轨表面小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑行器之间形成一层很薄的“气垫”将滑行器浮起，使运动时的接触摩擦阻力大为减小，从而可以进行一些较为精确的定量研究。工业上利用气垫技术，还可以减少机械或器件的磨损，延长使用寿命，提高速度和机械效率，所以，气垫技术在机械、纺织、运输等工业生产中得到广泛应用，如气垫船、空气轴承、气垫输送线等。

一、机械能守恒定律的验证

【实验目的】

1．了解气垫导轨的构造，掌握它的调平方法。

2．了解计数器的计时原理，掌握它的操作方法。

3．验证机械能守恒定律。

【仪器简介】

1．气垫导轨

气垫导轨是一种力学实验装置，它主要由空腔导轨、滑行器、气源和光电门装置组成，如图1

图1 气垫导轨

导轨是用一根平直、光滑的三角形铝合金制成，固定在一根刚性较强的钢梁上。导轨长为1.5m，轨面上均匀分布着孔径为0.6mm的两排喷气小孔，导轨一端封死，另一端装有进气嘴。当压缩空气经管道从进气嘴进入腔体后，就从小气孔喷出，托起滑行器，滑行器漂浮的高度，视气流大小及滑行器重量而定。为了避免碰伤，导轨两端及滑轨上都装有弹射器。在导轨上装

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有调节水平用的地脚螺钉。双脚端的螺钉用来调节轨面两侧线高度，单脚端螺钉用来调节导轨水平。或者将不同厚度的垫块放在导轨底脚螺钉下，以得到不同的斜度。导轨一侧固定有毫米刻度的米尺，便于定位光电门位置。滑轮和砝码用于对滑行器施加外力。

滑行器是导轨上的运动物体，长度为156mm，也是用铝合金制成，其下表面与导轨的两个侧面精密吻合，根据实验需要，滑行器上可以加装挡光片、加重块、尼龙扣、弹射器等附件。

气源为专用气泵，用气管与导轨连接。

光电计时装置由光电门毫秒计组成。J0201-CHJ存储式数字毫秒计采用单片微处理器，程序化控制，可用于各种计时、计数、测速度等，并具备多组实验数据的记忆存储功能。仪器面板如图2所示。

1) 数据显示窗口：显示测量数据、光电门故障信息等。

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：C—计数 a—加速度 S1—遮光计时 g—重力加速度

S2—间隔计时 Col—碰撞 T—振子周期 Sgl—时标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】：与J04217自由落体试验仪或J04227斜槽轨道配合使用。1号光电门输入插座、2号光电门输入插座及电源开关在仪器的后板上。

测试原理

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晶体振荡器可以产生频率稳定在104H Z 的矩形脉冲。数字显示电路的作用是记录进入该电路的矩形脉冲数目，并用数码管显示此矩形脉冲的累计数。控制电路在光电门和光电开关的作用下产生控制脉冲，在控制脉冲的作用下，电子开关能自动接通或断开晶体振荡器到计数显示电路的电信号通路。

实验过程中，在导轨上从左向右滑动的滑行器上装有挡光框（在滑行器上装挡光框时，重心应在滑行器中心），挡光框上有两个挡光区：挡光区1和挡光区2，如图3所示。当挡光区1的右侧边缘遮挡由聚光灯射向光敏管的光线时，光敏管阻值变化，经光电开关将此输入控制电路，控制电路产生一个控制脉冲使电子开关接通，计时电路开始记录由晶体振荡器输入的矩形脉冲数目。当挡光区2的右侧边缘遮挡由聚光灯射向光敏管的光线时，控制电路产生第二个脉冲，电子开关立即断开晶体振荡器计时电路的通路，计时停止。这时数码管上显示的数字即为两次挡光之间的时间内进入计时电路的矩形脉冲累计数，设此数为N 。由于矩形脉冲的频率为104H Z ，故周期为10-4

s ，所以通过N 个脉冲的时间410t N s -∆=⨯。如：脉冲累计数为8536，则

48536100.8536853.6t s s ms -∆=⨯==。

△t 也就是滑行器上两个挡光区右侧边缘之间的距离x ∆（12x x x ∆=-）通过光电门时所用的时间。

图3 滑块挡光框【实验原理】

机械能守恒定律：物体在运动过程中，只有保守力做功，则物体的机械能守恒，即：E 1=E 2。

气垫导轨调平后，在A 垫脚旋钮（单脚）下垫上高度为h 的垫块，使滑行器由A '处静止滑下，到达B '处时速度υ。由于采用了气垫导轨作为滑坡，滑行器与斜坡的摩擦阻力很小，可以认为滑行器在运动过程中只有重力做功，而重力为保守力，故机械能守恒，即 22

1

υm h mg =

' 我们用相对误差E 来表示实验的优劣：

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h g h g h mg m h mg E '

-'=

'-'=2

22

121υυ 1．h '的测量

h '为A '（静止释放点）和B '（速度测量点）处导轨的高度差，此值不便直接测量，由图4中两个相似三角形可得

图4 用气垫导轨验证机械能守恒定律

h AB

B A h '

'=

' 通过测量B A ''、AB 的长度（使用导轨侧面的米尺）及垫块的高度h （使用游标卡尺），间接测出高度h '。

2．υ的测量

滑行器上距离x ∆挡光边缘经过B '处光电门时使用的时间为t ∆，我们用

t ∆内的平均速度来近似代替滑行器经过B '处的速度υ，所以t

x ∆∆=υ 【实验步骤】

1．调平气垫导轨。应将气垫导轨的纵横两个方向都调平。横向调平时细心调节双脚螺旋B 中的一个螺旋的升降，直到滑行器与导轨两测的间隙相等为止（已由实验室调好）。纵向调平时，调节单脚螺旋A 的升降，先粗调，后细调。