北斗信号源>模板的制作实验三气垫导轨上的实验在物理实验中由于摩擦的存在导致误差往往很大甚至使某些实验无法进行。若采用气垫导轨等装置可使这一问题得以较好的解决气垫技术还可以减少磨损、延长仪器寿命提高机械效率。在机械、电子、运输等领域已被广泛应用如气垫船、空气轴承气垫输送线等。使用气垫导轨做力学实验可以观察和研究在近似无阻力情况下物体的各种运动规律。一、实验目的1?煜て 导轨的构造和调整使用方法2掌握用光电计时装置测量速度、加速度3验证动量守恒定律4深入了解完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞的特点。二、仪器与用具气垫导轨装置、数字毫秒计、砝码等三、实验原理如图3-1所示气垫导轨处于水平在滑块的一端系一条细线绕过气轨一端的滑轮后系一重物由滑块、托盘和砝码构成的运动系统在重力作用下作直线加速运动。图3-1 气垫导轨示意图1、速度、加速度的测量在导轨上相距s的两处放置二光电门若测得此系统在重力mg作用下滑块通光电门时的速度分别为1v、2v则系统的加速度为sa22122vv 3.1 在滑块上放置一中间有方孔或缺口的挡光片使方孔正好在光电管前通过用数字毫秒计S2档测出滑块和挡光片在光电门中通过时二次挡光的时间间隔t则可得到该小间隔的平均速度txx为挡光片二前沿间距离。因x较小则可认为此平均速度为挡光片二前沿的中点通过光电门时滑块M的即时速度。只要测出了挡光片通过二光电门的时间间隔1t和2t则可得对应的速度为21txtx21vv 3.2 从3.1、3.2两式可解得运动系统的加速度为11221222ttsxa 3.3 动量守恒定律指出如果一力学系统所受外力的矢量和为零则系统的总动量保持不变若系统上某一方向上所受合外力为零则系统在该方向上的总动量将保持不变即分动量守恒。2、碰撞在本实验中利用气垫导轨上两滑块的对心碰撞来验证动量守恒定律如图3-1所示若忽略滑块与导轨之间的摩擦力则质量分别为1m和2m的两滑块之间在水平方向只受互相碰撞的作用内力因而碰 撞前后的总动量保持不变若以10v、1v20v、2v分别表示它们碰撞前后的速度则由动量守恒定律在碰撞方向上有
21120101vvmvvm22mm 3.4 1 完全弹性碰撞在完全弹性碰撞中碰撞前后不仅系统的动量守恒而且机械能也守恒实验时在两滑块的相碰端装上弹当两滑块相碰时弹发生弹性形变后迅速恢复原状并将滑块弹开系统的机械能近似没有损失即两滑块的总动能不变则有222112202101v21vm21v21vm2122mm 3.5 当020v时由3.4与3.5两式解得10111vmmv22mm 3.6 10112vm2mv2m 3.7 如果21mm则01v202vv. 2
完全非弹性碰撞在两滑块的相碰面上粘上橡皮泥或尼龙粘胶带碰撞后两滑块粘在一起以同一速度v运动即可实现完全非弹性碰撞此时3.4式变为vmvvm12010122mm 11.8 当v200时由上式可得21101m-mvmv 11.9 四、实验内容一仪器的调整1光电计时系统的调整。将数字毫秒计的“光控”信号输入端和二光电门相联并选用S2、ms1档检查光电门是否正常工作。2轨道调平。1粗调把二光电门置于导轨中部相距cm7060离轨端距离大致相同。打开气源放上滑块调节底脚螺丝直至滑块在气轨上不再自由滑动。2细调将滑块从导轨左端轻推一下测其通过电门的时间1t、2t调节底脚螺丝使二者尽量接近又从右端推一下滑块测出挡光时间1t和2t同样调节使二者尽量接近一般2t略大于1t直至1t和2t、1t和2t之间的相对差异小于2则可认为导轨的水平已调好。3测出二光电门的距离S并用游标卡尺测量挡光片上的二前沿间的距离x。二水平拉力法将细尼龙线的一端系在滑块上另一端绕过滑轮后挂一砝码盘将10克砝码加在滑
块上。将滑块置于第一光电门外侧约10厘米处每次都必须在同一起始位置松开滑块测出通过二光电门的时间间隔1t和2t要适当调节“延时调节”使测量2t之前
仪器自动复零。重复测5次后取1t和2t的平均值。三碰撞中的守恒定律。1完全弹性碰撞1打开气源调平气垫导轨检查光电系统选择S2、ms1档使之能正常。2取带有缓冲弹簧的两滑块称出其质量1m和2m并将2m放在两光电门中间使其静止020v滑块1m放在导轨一端将其轻轻推向2m记下1m经过光电门I时的时间间隔10t。如图3-1所示两滑块相碰后1m以速度10v、2m以速度20v向前运动。记下滑块2m与1m经过光电门Ⅱ时的时间2t和1t 注意在滑块2m经过光电门Ⅱ后应使其静止于轨端并使记时
显示迅速复零以免影响1t的测量。重复上述测量35次。3从以上各次测量结果计算碰撞前后的动量及二者之比值求各比值的平均值验证碰撞前后的动量是否守恒2完全非弹性碰撞1保持气垫导轨水平在两滑块的相碰端粘上橡皮泥或尼龙胶带称出两滑块的2m和1m。2将2m静止于两光电门之间将1m放在导轨一端轻轻推动去碰撞2m 测量碰撞前后的速度重测35次。3计算各次碰撞前后的动量及其比值求出比值的平均值验证动量守恒。3求上述两种碰撞条件下的恢复系数。4参考表格挡光片两前沿间距x_______cm 滑快质量M_____g重物质量m___g 水平拉力法两光电门间
距cm 1st 2st 1 2 3 4 5 平均1 2 3 4 5 平均S1 “验证动量守恒定律种类次数10t 10v 2t 2v 1t 1v 101vm 2211vmvm 完全弹性碰撞1 2 3 4 5 完全非弹性碰撞1 2 3 4 5 五、注意事项 1 要特别注意气垫导轨的
保护和保养以及数字毫秒计的正确使用请认真阅读附录。2 两滑块碰撞时尽量使碰撞点在两滑块质心的连线上以减少滑块震动。六、思考与问答1使用气垫导轨要注意哪些问题如何调平气垫导轨2如何选择挡光片的距离x过大或过小对速度的测量各有什么影响3如何验证牛顿第二定律设计一具体步骤及方案。附录: 气垫导轨气垫导轨是一种力学实验仪器。它利用从导轨表面小孔喷出的压缩空气在滑块与导轨面之间形成很薄的气垫将滑块浮起。这样滑块运动时的接触摩擦力可以略去不计仅仅只有小得多的空气的粘滞力和周围空气的阻力因此就极大的减少了力学实验中难于克服的摩擦力的影响使实验效果大为提高。在气垫导轨上可以进行很多力学实验如速度、加速度的测量、牛顿第二定律的验证、动量守恒定律的验证、谐振动研究等等。一导轨装置的构造气垫导轨装置的构造如图3-1所示1导轨导轨是由长1.21.5m的角铝合金制成导轨面上均匀分
陶瓷过滤器布着直径约mm4.0的喷气孔导轨的一端装有进气孔、另一端装有滑轮两端内侧都装有缓冲弹簧整个导轨安装在工字钢梁上。2光电门或探头它由小灯泡和光敏管组成利用光敏管受光照和不受光照时电势的变化产生电脉冲来控制数字毫秒计的“计”和“停”进行计时。3滑块用角型铝材制成其两侧内表面和导轨面精确吻合两端装有缓冲器其上可以加装挡光片、附加重物等以供各种不同实验的需要。4调节螺钉与垫块导轨的一端是单脚螺钉另一端是双脚螺钉主要供调节导轨水平使用垫块用来改变气垫导轨的斜度。根据要求可将不同尺寸的垫块放在导轨单脚螺钉下得到不同斜度的斜面。一般滑块被托起的高度约为10100mm 5标尺固定在导轨一侧在定位窗上可读出光电门的位置。二气源用橡皮管将气垫导轨的
进气嘴与气源相连并用开关进行控制。压力稳定、消振、消音而又清洁的空气进入导轨内由导轨表面上的小孔喷出。三、注意事项1为了保持气轨表面的平直度和光洁度不允许用其它东西敲、碰导轨表面。也要注意不要碰倒光电门。2滑块的内表面光洁度高应严防划伤、碰坏更不允许将滑块掉在地上滑块与导轨配套使用不得任意换用。导轨在不通气时不要将滑块放在导轨上来回滑动变动遮光板在滑块上的位置时应将滑块从导轨上拿下待固定好遮光板后再把滑块放在导轨上。3导轨面上的喷气孔很小应在供气后用薄
弹的小纸条检查是否有堵塞如发现堵塞必须用细钢丝仔细通一下。4进行实验时两光敏管都应处于光照状态。5在实验过程中不得任意移动导轨的位置。6实验前必须用纱布沾少许酒精擦洗导轨表面和滑块内表面。实验结束后勿将滑块久放在导轨上以免导轨表面拉伤所有附件都应放入附件盒用塑料套把导轨盖好。实验四弦振动的研究两列振幅相等的相干波在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成驻波驻波是波的干涉现象中的一种重要现象。它在声学、光学、无线电工程和检测技术等方面都有广泛的应用利用驻波现象可以测量波长、波速和频率。一、实验目的1观察弦振动时形成的驻波2学会一种测量弦线上横波传播速度的方法3用作图法验证弦振动基频与张力的关系。二、仪器与用具电动音叉、滑轮、米尺、砝码、尼龙细线、分析天平等三、实验原理1弦线上横波传播的速度将细弦的一端固定在电振音叉上另一端系上砝码盘绕过滑轮当音叉振动时强迫弦线振动弦振动频率应当和音叉的频率f相等若适当调节砝码可在弦上出现明显稳定的驻波即弦与音叉共振设驻波波长为则弦线上横波传播的速度等于f 4.
1 又从力学理论可知在线密度为张力为T的弦线上横波传播的速度为T 4.2 2弦振动规律将4.1式代入4.2式可得Tf 4.3 设弦线长为L振动时弦上的半波数为n则2nL 即nL2将此式代入4.3式得TLnf2 4.4 上式表明对于线密度、长度L和张力T一定的弦其自由振动时的频率不只一个而是包图4 弦振动原理括相当于n1、2、3、的1f、2f、3f等多种频率n1的频率称为基频n2、3的频率称为第一、第二谐频但基频较其它谐频强得多因此它决定弦的频率而各谐频则决定它的音当弦线在频率为ν的音叉策动下振动时适当改变T、L和ρ则可能和强迫力发生共振的不一定是基频而可能是第一、第二、第三、谐频但根据4.4式可能此时的基频0f等于nf即TLf210 4.5 两侧取对数得TLfln21ln21lnln0 4.6 上式表明在0lnf与Lln、Tln之间存在线性关系本实验将分别验证这一关系。四、实验内容1弦的基频与弦长的关系1按图41安装好仪器弦线长约1.2m在砝码盘上加
适当砝码调节触头2K使音叉振动后将固定螺母旋紧否则可能会停振。2移动音叉改变弦线的长度使弦上出现n5、4、3、2、1的稳定的、振幅最大的驻波测出各n值对应的弦线长L对每个n值重复测五次。3记下砝码包括托盘的质量在此部分实验中砝码质量保持不变。4用音叉频率f除以驻波数n求出各n值的基频0f作0lnf-Lln图线验证其斜率为-1。2弦的基频与张力的关系1保持弦长L不变仔细调节砝码质量使弦线上的出现5、4、3、2、1个稳定振且幅最?蟮陌氩ǚ直鸺锹柬缆氚 缆肱痰闹柿吭俪艘灾亓 铀俣萭即为弦线中的张力T。2用音叉频率除以n值求出各n值对应的基频0f。3作0lnf-Tln图线验证其斜率为21。3就实验中某一组n、L、T、值代入4.4式计算弦振动的频率并将其和音叉振动的频率作比较。4.参考表锌溴电池
格砝码连托盘总质量m 波腹数in/个in个半波长度mln310 音叉f nffi音叉0 1 2 3 4 5 弦长L 波腹数in/个in个半
cadjohns
波长砝码连托盘总质量im 音叉f nffi音叉0 1 2 3 4 5 五、注意事项1使音叉频率接近市电频率的二倍以便使用一般的低压交流电源驱动音叉如差异较大就要用函数信号发生器去驱动音叉。2要用线密度尽量小的弦线以免T值过大。六、思考与问答1什么叫驻波它是如何形成的2如果研究波长与弦线密度的关系实验应如何安排
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