实验名称  气垫导轨综合实验

一、前言

气垫导轨技术是20世纪70年代才发展起来的一项新技术，它在机械，电子纺织，运输等工业生产中已有广泛应用。它在各项应用（如空气轴泵、气垫船、气垫运输线等）中都充分显示了几乎无摩擦的特点。

由于摩擦的存在，力学实验的误差往往很大，甚至使某些力学实验无法进行。采使气垫技术可克服摩擦的影响。由于气垫的漂浮总作用，物体在导轨上运动时，它与气垫面的实际不发生任何接触，这就大大减少了运动时摩擦阻力。可对一些力学现象和过程进行交精密的定量研究。

二、教学目标

1、了解气垫导轨的基本结构与原理，掌握气垫导轨的调平方法。

2、学习气垫导轨和电子计时仪的使用方法。

3、学习用运用气垫导轨验证有关物理规律。

4、用电压输出法测量热敏电阻的温度系数。

三、教学重点

1、掌握计时测速仪的使用方法。

四、教学难点

1、掌握气垫导轨的调平方法。

五、实验原理

验证动量守恒定律指出，如果系统所受的和外力为零，则该系统的总动量保持不变。如果系统所受的合外力在某个方向的分力为零，则此系统的总动量在该方向守恒。

考虑在水平气垫导轨上质量分别为m₁和m₂的两个滑块，由于气垫的漂浮作用，它们受到的摩擦力可以忽略不计。它们在平直的气垫导轨上沿直线方向发生碰撞，碰撞前的速度分别为v₁₀和v₂₀，碰撞后的速度分别为v₁和v₂，根据动量守恒定律

                (1)

实验测出 m₁、m₂、v₁₀、v₂₀、v₁、v₂，就可验证动量守恒定律。

1、弹性碰撞

弹性碰撞的特点是碰撞前后系统的动量守恒，机械能也守恒，因此有

                                     (2)

联立式(1)和式(2)，求解得

                        (3)

式(3)表明两滑块弹性碰撞前的接近速度()，等于它们碰撞后分离速度()。

若m₁=m₂，v₂₀=0,由(1)、(2)、(3)式解出，即两滑块彼此交换速度。

2、完全非弹性碰撞

如果两个滑块碰撞后合在一起以相同的速度运动，这种碰撞为完全非弹性碰撞。

完全非弹性碰撞的特点是碰撞前后系统的动量守恒，机械能不守恒。

设两个滑块碰撞后合在一起以相同的速度v，即v₁= v₂= v由式(1)有

                (1)

于是有

若m₁=m₂，v₂₀ =0，则有

六、实验仪器

L-QG-T1500气垫导轨，  MUJ-ⅢA计时计数测速仪，天平，弹簧，橡皮泥。

1、气垫导轨简介

图1  L-QG-T1500 气垫导轨示意图

气垫导轨的基本结构如图1所示，它可分为三部分：导轨、滑块、光电门。

使用气垫导轨时要注意：

1、使用前先用绒布蘸少许酒精擦拭导轨表面及滑块内表面。

2、通气后先检查轨面上的小气孔是否都通畅，如发现某些气孔堵塞，可用0.5mm左右的钢丝疏通。

3、在未通气时，绝对不能在导轨上移动滑块。往滑块上装附件时，滑块应从导轨上取下，安好以后再置于导轨上。滑块要轻拿轻放，切忌摔碰，严防轨面和滑块内表面划伤。使用完毕后应先将滑块取下再关闭气源。

4、实验完毕，滑块放入附件箱内，用罩布把导轨盖好，以免沾染灰尘。

七、实验内容与步骤

1、调整仪器

1)        接线

将两根完全一样的四芯导线的一端分别插入P₁和P₂光电门插口，另一端分别插接光电门；仪器电源线接插220V电源。

2)        检查计时测速仪工作是否正常

开机后，检查计时测速仪工作是否正常。如发现有异常情况，应及时予以排除。

3)        调平气垫系统

旋转导轨底座上的单脚螺旋，使导轨水平。可用下述两种方法判断导轨是否水平：

滑块静止判断法：气轨通气后书滑块置于导轨上任意位置，若滑块都能静止不动（基本上不动），则可以认为导轨已调平，否则，继续调节单脚螺旋，直到调平为止。

滑块运动判断法：打开计时测速仪电源开关，按功能键使“S；”的指示灯亮，按转换键使“ms”指示灯亮（表示仪器为计时功能，计时单位为ms）；调节两光电门之间的距离约为50cm；在一滑块上装好1.00cm的遮光叉和碰簧（两端均装好）后，让其在通气的导轨上运动，若滑决上的遮光叉通过两个光电门时仪器显示的时间相同（其差值不超过2％），可认为气轨已调平，否则，继续调节单脚螺旋，直到调平为止。

调平气垫导轨一般以滑块运动法为判断标准。

2、在弹性碰撞情形下验证动量守恒

实验研究两滑块m₁=m₂，且v₂₀=0 的情形进行：

1)        两滑块上装好1.00cm遮光叉和两个碰簧；用天平称出配重块（或实验室给出）、弹性碰撞器（碰簧）、非弹性碰撞器（尼龙搭扣）、两个安装好遮光叉和碰簧的滑块的质量；如果两滑块的质量不相等，利用橡皮泥使它们的质量相等。

2)        调节两光电门在导轨上的位置，使它们在导轨中间部分并相距40cm。

3)        按功能键使“碰撞”指示灯亮；按转换键使“cm/s”指示灯亮，气轨通气。

4)        将滑决m₂置于两光电门之间，并靠近P₂，令其静止（必要时可用手轻靠住滑块m₂，待m₁即将与其相碰时迅速放开手），保证v₂₀=0 

图2 碰撞操作示意图

5)        将沿块m₁放在光电门P₁的外侧导轨上，用平行于导轨的适当大小的力向m₂的反方向发射滑块m₁，使它返回以初速度v₁₀通过P₁门，如图2所示。

6)        两滑块相碰后，可观察到滑块m₁静止，m₂以速度v₂通过P₂门，记下P₁和P₂的数据后按功能键（仪器复位）。

7)        按步骤4、5、6重复多次，测读并记录最好的三组数据。

3、在完全非弹性碰撞情形下验证动量守恒

将滑块相碰端的弹性碰撞器换装成非弹性碰撞器，注意不要使装的非弹性碰撞器影响滑块在气垫导轨上自由滑动。

实验研究两滑块m₁=m₂，且v₂₀=0的情形进行：

按前面上述步骤4、5、6、操作，记下P₁门的数据和P₂门的数据。

八、数据表格及数据处理

1、弹性碰撞

m₁=m₂=158g  v₂₀=0     遮光叉宽度 1 cm

结论：据表中数据知，碰撞前后系统的动量守恒，机械能也守恒。

2、完全非弹性碰撞

m₁=m₂=158g  v₂₀=0    遮光叉宽度 1 cm

结论：据表中数据知，碰撞前后系统的动量守恒，机械能不守恒。

九、指导要点及注意事项

1、本实验是选做实验，要求学生当堂处理实验数据，并分析实验误差来源。

2、使用前先用绒布蘸少许酒精擦拭导轨表面及滑块内表面。

3、通气后先检查轨面上的小气孔是否都通畅，如发现某些气孔堵塞，可用0.5mm左右的钢丝疏通。

4、在未通气时，绝对不能在导轨上移动滑块。往滑块上装附件时，滑块应从导轨上取下，安好以后再置于导轨上。滑块要轻拿轻放，切忌摔碰，严防轨面和滑块内表面划伤。使用完毕后应先将滑块取下再关闭气源。

5、实验完毕，滑块放入附件箱内，用罩布把导轨盖好，以免沾染灰尘。

十、实验管理和成绩记载

1、实验管理

（1）预习检查：检查学生的学生证，检查学生预习报告并签字，随机提问（约占实验学生的四分之一）检查学生的预习情况。无预习报告或预习检查不合格的学生取消当堂课实验资格，重新预约该实验。

（2）操作管理：巡回检查学生的实验操作和实验数据记录情况，及时发现、指导、解决学生在实验操作中遇到的问题，检查完成实验学生的数据记录并签字；对在1小时左右完成实验的学生进行认真的检查并要求其完成实验的选做内容。

（3）实验报告批改：要求学生认真作好实验报告，并于实验后一周内交给任课教师 (地点：主教学楼1楼走廊信箱) ；及时批改学生的实验报告，作好成绩记载并及时发还给学生。

2、成绩记载

平时成绩：实验操作60%；实验报告40%；及时在实验预约单上记载平时成绩。

综合成绩：平时成绩60%；考试成绩40%。

十一、实验思考题

十二、教学后记

十三、实验成绩评定标准

1、实验有新发现，有创新或独到见解，实验成绩评定后，提高一档。

2、迟到，成绩降一档。  

3、缺席，该次实验成绩为零分。   

4、无故迟交报告，成绩降一档。

5、篡改实验数据，成绩降一档。  

6、抄袭实验报告或数据，该实验成绩为零分。

十四、教材和教学参考书

教材：杨长铭，等．大学物理实验教程．武汉：武汉大学出版社，2012．

教学参考书：

1、杨述武．普通物理实验．北京：高等教育出版社，2000．

2、漆安慎，杜婵英．普通物理学教程．北京：高等教育出版社，2001．

3、李天应．物理实验．武汉：武汉大学出版社，2002．

4、周殿清．大学物理实验．武汉：武汉大学出版社，2002．

5、杨长铭，等．大学物理实验．武汉：武汉大学出版社，2003．

6、熊永红，等．大学物理实验．武汉：华中科技大学出版社，2004．

7、熊永红，张昆实，等．大学物理实验．北京：科学出版社，2008．

第二篇：气垫导轨实验报告

气轨导轨上的实验

——测量速度、加速度及验证牛顿第二运动定律

一、实验目的

1、学习气垫导轨和电脑计数器的使用方法。

2、在气垫导轨上测量物体的速度和加速度，并验证牛顿第二定律。

3、定性研究滑块在气轨上受到的粘滞阻力与滑块运动速度的关系。

二、实验仪器

气垫导轨(QG-5-1.5m)、气源（DC-2B型）、滑块、垫片、电脑计数器(MUJ-6B型)、电子天平（YP1201型）

三、实验原理

1、采用气垫技术，使被测物体“漂浮”在气垫导轨上，没有接触摩擦，只用气垫的粘滞阻力，从而使阻力大大减小，实验测量值接近于理论值，可以验证力学定律。

2、电脑计数器（数字毫秒计）与气垫导轨配合使用，使时间的测量精度大大提高（可以精确到0.01ms），并且可以直接显示出速度和加速度大小。

3、速度的测量

如图，设U型挡光条的宽度为，电脑计数器显示

出来的挡光时间为，则滑块在时间内的平均速度为

； 越小（越小），就越接近该位置的即时速

度。实验使用的挡光条的宽度远小于导轨的长度，故可将

视为滑块经过光电门时的即时速度，即。

4、加速度的测量

将导轨垫成倾斜状，如右图示：两

光电门分别位于和处，测出滑块经

过、处的速度和，以及通过距

离所用的时间，即可求出加速度：

 或

速度和加速度的计算程序已编入到电脑计数器中，实验时也可通过按相应的功能和转换按钮，从电脑计数器上直接读出速度和加速度的大小。

5、牛顿第二定律得研究

若不计阻力，则滑块所受的合外力就是下滑分力，。假定牛顿第二定律成立，有，，将实验测得的和进行比较，计算相对误差。如果误差实在可允许的范围内（＜5％），即可认为，则验证了牛顿第二定律。（本地g取979.5cm/s²）

6、定性研究滑块所受的粘滞阻力与滑块速度的关系

实验时，滑块实际上要受到气垫和空气的粘滞阻力。考虑阻力，滑块的动力学方程为，，比较不同倾斜状态下的平均阻力与滑块的平均速度，可以定性得出f与v的关系。

四、实验内容与步骤

1、将气垫导轨调成水平状态

先“静态”调平（粗调），后“动态”调平（细调），“静态”调平应在工作区间范围内不同的位置上进行2~3次，“动态”调平时，当滑块被轻推以50cm/s左右的速度（挡光宽度1cm，挡光时间20ms左右）前进时，通过两光电门所用的时间之差只能为零点几毫秒，不能超过1毫秒，且左右来回的情况应基本相同。两光电门之间的距离一般应在50cm~70cm之间。

2、测滑块的速度

①气垫调平后，应将滑块先推向左运动，后推向右运动（先推向右运动，后推向左运动，或者让滑块自动弹回），作左右往返的测量；

②从电脑计数器上记录滑块从右向左或从左向右运动时通过两个光电门的时间、，然后按转换健，记录滑块通过两个光电门速度、，如此重复3次，将测得的实验数据计入表1，计算速度差值。

3、测量加速度，并验证牛顿第二定律

在导轨的单脚螺丝下垫2块垫片，让滑块从最高处由静止开始下滑，测出速度、和加速度，重复4次，取。再添2块（或1块）垫片，重复测量4次。然后取下垫片，用游标卡尺测量两次所用垫片的高度h，用钢卷尺测量单脚螺丝到双脚螺丝连线的距离L。计算，进比较与，计算相对误差，写出实验结论。

4、用电子天平称量滑块的质量m，计算两种不同倾斜状态下滑块受到的平均阻力，并考察两种倾斜状态下滑块运动的平均速度（不必计算），通过分析比较得出f与v的定性关系，写出实验结论。

五、注意事项

1、保持导轨和滑块清洁，不能碰砸。未通气时，不能将滑块放在导轨上滑动。实验结束时，先取下滑块，后关闭气源。

2、注意用电安全。

六、数据记录与处理

表1. 速度的测量（）

表2. 加速度的测量

（，L=     cm，m=      g）   

七、实验结论

1、关于牛顿第二定律的验证：……

2、关于滑块所受的气体阻力与滑块运动速度的关系：……

八、误差分析与习题

1、若改变本实验的某一个条件（如改变下滑的初速度、滑块上附加重物、改变导轨的倾斜度），在不考虑阻力和考虑阻力两种情况下，它们会对加速度产生什么影响？

2、一般情况下，实验值比理论值应该大些还是小些？

3、具体分析本实验产生误差的各种原因。