實驗五氣墊導軌上的實驗
【實驗簡介】
力學實驗中，摩擦力的存在使實驗結果的分析處理變得很複雜。採用氣墊技術能大大地減小物體之間的摩擦，使得物體作近似無摩擦的運動，因此在機械、紡織、運輸等工業領域都得到了廣泛的應用。利用氣墊技術製造的氣墊船、氣墊輸送線、空氣軸承等，可以減小機械摩擦，從而提高速度和機械效率，延長使用壽命。
在物理實驗中採用現代化的氣墊技術，可使物體在氣墊導軌上運動，由於氣墊可以把物體託浮使運動摩擦大大減小，從而可以進行一些精確的定量研究以及驗證某些物理規律。
氣墊船之父 — 克里斯多福·科克雷爾
英國電子工程師（1910——1999）
克里斯多福·科克雷爾在船舶設計中發現海水的阻力降低了船隻的速度，於是興起了要「把船舶的外殼變為一層空氣」的念頭。2023年，他利用這個原理製造了一條船，從船底一排排的噴氣縫射出空氣，形成氣墊把船承托起來，即氣墊船。可以說他是氣墊技術創始人。
氣墊技術現已廣泛應用於各方面
實驗實習一測量速度、加速度及驗證牛頓第二定律
【實驗目的】
1、 熟悉氣墊導軌和電腦計時器的調整和操作； 圖5-1（a）氣墊船 （b）科克雷爾
2、 學習在低摩擦條件下研究力學問題的方法；
3、 用氣墊導軌測速度、重力加速度,驗證牛頓第二定律。
【實驗儀器及裝置】
氣墊導軌（qg-5-1.5m型）及附件、電腦通用計數器(muj-6b型)、光電門、氣源（dc-2b型）、電子天平（yp1201型）、游標卡尺（0.02mm）及鋼捲尺（2m）等
氣墊導軌是乙個一端封閉的中空長直導軌，導軌採用角鋁合金型材，表面有許多小氣孔，壓縮空氣從小孔噴出，在物體滑塊和導軌間產生0.05～0.2mm厚的空氣層，即氣墊。
為了加強剛性，不易變形，將角鋁合金型材固定在工字鋼上，導軌長度在1.2～2.0m之間，導軌面寬40mm上面兩排氣孔孔徑0.
5～0.9mm。全套裝置包括導軌、起源、計時系統三大部分。
結構如圖5-1-1所示。
【實驗原理】
1、瞬時速度的測量
物體作直線運動，在時間內經過的位移為，則物體在時間內的平均速度為，當，我們可得到瞬時速度。但在實際測量中瞬時速度的測量是非常困難的。在一定誤差範圍內，可以採用極短的內的平均速度近似地代替瞬時速度。
在氣墊導軌實驗中，在滑塊上裝上u形擋光片，如圖5-5所示。
當滑塊在氣軌上自左向右運動經過光電門時，擋光片a的前緣11/ 遮擋光電門光源時，電腦通用計數器開始計時；擋光片b的前緣22/ 遮擋光源時，電腦通用計數器停止計時；毫秒計測出擋光片距離通過光電門的時間，則可認為滑塊通過光電門的瞬時速度為：
5-1-1）
圖愈小，測出的平均速度愈接近滑塊在該處的瞬時速度。
2、加速度的測量
氣軌上a、b處兩個光電門之間的距離為，在單腳螺絲下面放高度為h的墊塊，如圖5-1-4所示。在忽略空氣阻力的情況下，滑塊在氣軌上作勻加速直線運動。由電腦通用計數器測出滑塊通過兩個光電門的時間、，可算出滑塊在兩個光電門處的瞬時速度、，通過兩光電門的時間間隔t, 則加速度可利用關係式5-2計算得到。
由於電腦計數器有記憶運算功能，測量前只要輸入檔光片的寬度值就可直接測出滑塊運動的速度、加速度值。
或5-1-2）
圖5-1-5 物體斜面下滑圖
3、氣軌法測重力加速度
如果空氣摩擦的影響可以忽略不計，則所有落地的物體都將以同一加速度下落，這個加速度稱為重力加速度g。將氣軌一端單腳下加墊塊成斜軌如圖5-6所示。
沿氣軌斜面下滑的物體，其加速度為。若角很小，，所以:
5-1-3)
其中h為導軌調水平後一端墊起的高度，l為導軌前後角兩支點的距離。分別測得滑塊下滑
加速度、墊塊高度h及導軌前後角兩支點的距離l,即可求出重力加速度值。
4、 驗證牛頓第二定律
方法一氣墊導軌調成水平狀態，將系有砝碼盤及砝碼的細線跨過氣軌滑輪與滑塊相連線如圖5-1-6所示。在略去摩擦力、不計滑輪和線的質量、線不伸長的條件下，根據牛頓第二定律，則有：
5-1-4）
5-1-5）
式中，為滑塊的質量，為砝碼盤和砝碼的質量，為細線的張力，為滑塊的加速度，為本地重力加速度。解式（4）和式（5），可得:
5-1-6)
式（6）中，為砝碼盤和砝碼的重力，為系統的質量，為滑塊運動加速度。
、 方法二
將氣墊導軌單腳螺釘下加墊塊導軌成斜狀如圖5-1-5所示。若不計阻力，則滑塊從導軌上端自由下滑所受的合外力就是下滑分力，。假設牛頓第二定律成立，有，。
將實驗測得的加速度與理論加速度進行比較，計算相對誤差。如果誤差是在可允許的範圍（<5%），即可認為，則驗證了牛頓第二定律。（本地可查得）
5、定性研究滑塊所受的粘滯阻力與滑塊速度的關係
用氣墊導軌實驗時，滑塊實際要受到氣墊和空氣的粘滯阻力。考慮阻力時，滑塊的動力學方程應為，。比較不同傾斜狀態下的平阻力與滑塊的平均速度，可以定性得出阻力與運動速度的關係。
【實驗內容及要求】
一、氣軌的調平
1、粗調：調節雙腳螺釘和單腳螺釘大致等高。電腦計數器與光電門連線上。
開啟氣源放上滑塊（注意：必須先開氣源，再放滑塊），使滑塊浮起，如果滑塊始終向乙個方向運動，說明氣軌向該方向傾斜，調節單腳螺釘，直到滑塊保持不動或稍有滑動，但無一定方向性，即可認為大致水平。
2、細調：採用動態調平方法。滑塊上裝1.
00cm檔光片，按住轉換鍵檢查檔光片寬度設定為1.00cm，將兩個光電門分別放在氣軌上相距一定距離的兩處（大約50—70厘公尺），中速推動滑塊，使滑塊在氣軌上來回運動，調節單腳螺釘，使滑塊向右運動時， <1ms ；使滑塊向左運動時， <1ms；則可認為氣軌水平已調好。由於不可避免的摩擦力的存在，一般通過第二個光電門的時間略大於第乙個。
（注：電腦計數器功能選擇計時s2，單位為時間ms、s，測得的是時間間隔，如單位為cm/s，則測得的是速度v）
二、測滑塊的速度
氣軌調平後，從電腦計數器上記錄滑塊從左向右和從右向左運動時通過兩個光電門時間、、、各重複3次。填入表一，計算速度差值，寫實驗結論。
三、測滑塊運動的加速度，驗證牛頓第二定律（方法二）
電腦計數器功能選擇加速度。導軌水平狀態下，在單腳螺釘下面分別加乙個、二個、三個、四個墊塊。讓滑塊由固定點靜止下滑。
記錄滑塊分別通過兩個光電門的速度、及運動加速度，各重複5次，計算。用游標卡尺測出墊塊高度h，用鋼捲尺測出氣軌單腳螺釘到雙腳螺釘之間的垂直距離。填入表二，按**資料處理要求計算實驗結果，寫實驗結論。
四、定性研究滑塊所受的粘滯阻力與滑塊速度的關係
用電子天平稱量滑塊的質量，計算四種不同傾斜狀態下滑塊受到的平均阻力，並考察四種不同傾斜狀態下滑塊的平均速度，通過分析比較，得出與的定性關係，寫出實驗結論。
五、選做在氣軌上測量重力加速度。方案擬定，資料記錄**自己設計。
【資料記錄與處理】
表一速度的測量 （檔光片寬度，水平狀態）
表二加速度測量及牛頓第二定驗證 （檔光片寬度）
導軌前後腳距離l=________cm 滑塊質量m=________g
【注意事項】
1．氣墊導軌的軌面不許敲、碰，如果有灰塵汙物，可用棉球蘸酒精擦淨。
2．滑塊內表面光潔度很高，嚴防劃傷，更不容許掉在地上。
3．實驗時保持氣墊導軌的氣流通暢，只有氣軌噴氣，才可將滑塊放在氣軌上，實驗完畢後，先從氣軌上取下滑塊，再關氣源，以避免劃傷氣軌。
4. 如氣軌不噴氣，滑塊長時間放在氣軌上，會使氣軌變形。
5. 實驗完畢，應在氣軌上蓋布，以防灰塵汙染氣軌。
【思考題】
1． 氣墊導軌調水平的目的是為了保證滑塊所受的為零，實驗中考慮到滑塊
與導軌之間有空氣粘滯摩擦力存在，當滑塊從左向右運動時，調節單腳螺釘，使測出
滑塊經過兩個光電門的時間差____ms, 並且從右向左運動時情況相同，則可認為氣軌達到水平。
2． 為了保護氣墊導軌的表面和滑塊的內表面，操作時應先後放實驗結束，應先後
附錄5-1 【muj-6b型電腦通用計數器的使用】
電腦通用計數器是一種採用單片微處理器控制的智慧型化儀器，可用於計時、計數、測頻、測速及直接測量加速度等。該儀器具有多組資料記憶、儲存和檢視功能。 如圖5-8所示為電腦通用計數器前面板，下面介紹其功能和使用方法。
(1) 面板上的按鍵
◆ 功能鍵：可實現計數器的功能選擇和資料清零。
◆ 轉換鍵：可實現測量資料的單位換算，擋光片寬度值的設定和週期值設定。
◆ 取數鍵：可檢視機內儲存的實驗資料。
（2）部分功能介紹
◆ 計時：測量對埠光電門的擋光時間
◆ 計時：測量對埠光電門的兩次擋光之間的時間間隔和滑塊通過光電門的速度值。
◆ 加速度a:測量滑塊通過每個光電門的時間或速度以及通過相鄰光電門的時間或者段路程的加速度。
◆ 碰撞pzh:碰撞實驗中測量兩滑塊通過埠光電門的速度。
◆ 週期t：測量簡諧運動若干週期。
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