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 气垫导轨滑行器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所示。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。图3 光电门 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 晶体振荡器可以产生频率稳定在104HZ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104HZ，故周期为10-4s，所以通过N个脉冲的时间。如：脉冲累计数为8536，则。t也就是滑行器上两个挡光区右侧边缘之间的距离（）通过光电门时所用的时间。【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：E1=E2。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，使滑行器由处静止滑下，到达处时速度。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 我们用相对误差E来表示实验的优劣： 1的测量为（静止释放点）和（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 通过测量、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。 2的测量滑行器上距离挡光边缘经过处光电门时使用的时间为，我们用内的平均速度来近似代替滑行器经过处的速度，所以【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。（1）粗调：打开气源，使滑行器浮起，将滑行器先后放在导轨左端和右端，由静止释放，观察其是否向左右自行滑动，若向某个方向滑动，就表明导轨未调平，该方向低。细心调节单脚螺旋的升降，直到滑行器基本上可以静止在导轨上任意位置为止。（2）细调：细调采用单向动调法，接通J0201CHJ存储式数字毫秒计的电源，选择功能为间隔计时，将两光电门置于导轨左右两端距端点约30.00处，然后，将滑行器拉止左端，用手向右轻推，使滑行器以中等速度（30-60/s，时间显示为117.00-233.0ms）滑行，数字毫秒计测量出x经过光电门1和光电门2所用的时间t1和t2，反复细心调节单脚螺旋A，使t1=t2。由于气垫的粘滞力和空气阻力等影响，滑行器通过两光电门的时间很难完全相等。如果2 这时，就可以认为气垫导轨已经处于水平状态。 2测量A和B之间的距离AB 气垫导轨调平后，在单脚螺旋A下垫一块垫块。将滑行器拉到导轨左端A处，记录滑行器正中间处的标尺读数（25.00左右）。此时，只需要右端光电门。记录光电门所附箭头处的标尺读数（110.00左右）。则。 3使滑行器从A处静止状态滑下，测出滑行器经过B处光电门所用的时间t1。重复5次，求。 4用游标卡尺测出垫块高度，沿不同方位测量5次，求出。 5在单脚螺旋A下垫两块垫块，重复步骤3，求出。 6重复步骤4，求出。 7用游标卡尺测出两个挡光区之间距离x，在不同部位测量5次，求出。8计算出。【测量记录和数据处理】 实验次数12345平均值 【注意事项】 1接通气源即有气流输出，泵的出气压力可用选钮调节，请尽量使用低挡位输出，则不仅可以减少噪音、降低功率损耗和出气温度，而且可延长电机寿命。 2因泵内电机所发热量全靠输出气流带走，故不仅必须保证进气孔上无脏物，亦要保证所用气轨出气畅通，出气温度须小于60。 3准备好实验后再开气源，尽量缩短气泵连续工作时间。 4导轨工作面和滑行器内表面不要用手触摸。5严禁在未通气的情况下将滑行器放在导轨工作面上滑动，以免划伤导轨表面。【思考题】1 如何鉴别气垫导轨已经调平？2滑行器势能的减少值并不完全等于滑行器动能的增加值，试分析产生误差的原因？二、验证牛顿第二定律【实验目的】1 利用气垫导轨测定速度和加速度。2 验证牛顿第二定律。【实验原理】 1速度的测定物体作直线运动时，平均速度为，时间间隔或越小时，平均速度越接近某点的实际速度，取极限就得到某点的瞬时速度。在实验中直接用定义式来测量某点的瞬时速度是不可能的，因为当趋向零时也同时趋向零，在测量上有具体困难。但是在一定误差范围内，我们仍可取一很小的，及其相应的，用其平均速度来近似的代替瞬时速度。被研究的物体（滑行器）在气垫导轨上作“无磨察阻力”的运动，滑行器上装有一个一定宽度的挡光片，当滑行器经过光电门时，挡光片前沿挡光，计时仪开始计时；挡光片后沿挡光时，计时立即停止。计时器上显示出两次挡光所间隔的时间；则是挡光片两片同测边沿之间的宽度。如图1所示。由于较小，相应的也较小。故可将与的比值看作是滑行器经过光电门所在点（以指针为准）的瞬时速度。 2加速度的测定当滑行器在水平方向上受一恒力作用时，滑行器将作匀加速直线运动。其加速度由公式，即 （1）得到。根据上述测量速度的方法，只要测出滑行器通过第一个光电门的初速度，及第二个光电门的末速度，从光电门的指针可以读出和，这样根据上式就可算得滑行器的加速度。3验证牛顿第二定律 牛顿第二定律是动力学的基本定律。其内容是物体受外力作用时，物体获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，并与物体的质量成反比。图2中，滑行器质量为，砝码盘和砝码的总质量，细线张力为T，则有 （2）合外力 令M=，则 F=M (3)由推得的公式可以看出：F越大，加速度也越大，且为一常量；在恒力（F保持不变）作用下，M大的物体，对应的加速度小，反之亦然。由此可以验证牛顿第二定律。其中加速度由公式（1）求得。【实验内容】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。（1）粗调：打开气源，使滑行器浮起，将滑行器先后放在导轨左端和右端，由静止释放，观察其是否向左右自行滑动，若向某个方向滑动，就表明导轨未调平，该方向低。细心调节单脚螺旋的升降，直到滑行器基本上可以静止在导轨上任意位置为止。（2）细调：细调采用单向动调法，接通J0201CHJ存储式数字毫秒计的电源，选择功能为间隔计时，将两光电门置于导轨左右两端距端点约30.00处，然后，将滑行器拉止左端，用手向右轻推，使滑行器以中等速度（30-60/s，时间显示为117.00-233.0ms）滑行，数字毫秒计测量出x经过光电门1和光电门2所用的时间t1和t2，反复细心调节单脚螺旋A，使t1=t2。由于气垫的粘滞力和空气阻力等影响，滑行器通过两光电门的时间很难完全相等。如果2 这时，就可以认为气垫导轨已经处于水平状态。2测定速度（1）实验装置见图3。（2）在导轨低端装置弹射器，用垫高块将导轨摆成倾斜状态，起始档板固定在最高端处。（3）将光电门G1置于导轨上70cm处（另一光电门不用），将计时器功能选择在“间隔计时”档上。（4）用10cm的挡光片固定在滑行器上，让滑行器紧靠起始档板从高端自由下滑，通过光电门G1后，计时器就会测出滑行器通过G1时的时间t，按动计时器停止键，计时器就显示出t，可计算出瞬时速度的数值。 （5）依次更换5cm、3cm、1cm的挡光片，重复上述实验，计算2、3、4，根据瞬时速度的概念，挡光片最