1、用氣墊導軌驗證機械能守恒【引言】在物理實驗中，由于摩擦力的存在，往往會使誤差很大，甚至使某些實驗無法進行，若采用氣墊導軌等裝置，可以大大減少摩擦力，從而使實驗的結果更加的準確。氣墊技術還可以減少磨損、延長儀器壽命、提高機械效率等。在機械、電子、運輸等領域已被廣泛應用，如氣墊船、空氣軸承、氣墊輸送線等。使用氣墊導軌做力學實驗可以觀察和研究在近似無阻力的情況下物理的各種運動規律。【實驗目的】1. 熟悉氣軌的構造，掌握氣軌的調節。2. 掌握用光電門計時系統測量較短時間及速度、動能等力學量的方法。3. 運用所學知識及實驗測量數據驗證機械能守恒。【實驗原理】氣墊導軌整個裝置由三部分組成：導軌、滑塊和光電

2、子計時裝置等組成，裝置如圖所示。1.導軌 導軌是由一根長約1.5到2.0米的三角形鋁管做成的。其中一端用堵頭封死，另一端裝有進氣嘴；可向管腔送入壓縮空氣。在鋁管的兩個向上的側面上，鉆有兩排等距離、等大小的噴氣小孔。當壓縮空氣進入管腔后，從噴氣小孔噴，。從而在滑塊與導軌之間形成一層薄薄的空氣層（即所謂的“氣墊”），使得滑塊可以在氣軌上做近似無摩擦的運動。在導軌兩端還裝有緩沖彈簧，使滑塊可以在其間沿軌道往返運動。整個導軌通過一系列直立螺桿安裝在工字鑄鋁梁上。在工字梁下面裝有三個用來調節導軌水平的螺絲。導軌的傾度還可通過改變墊在底腳螺絲下面的墊塊數目來實現。 導軌的一端還可以裝上滑輪或氣墊“滑輪”。

3、2.滑塊 滑塊由長約20厘米的角鐵或角鋁做成，其內表面與導軌的兩個側面精確吻合。當導軌上表面的噴氣小孔噴氣時，在滑塊與導軌間形成很薄的氣墊，滑塊就“漂浮”在氣墊上，可自由滑動?；瑝K兩端裝有緩沖彈簧?；瑝K中部還裝有用來測量時間間隔的擋光片、緩沖彈簧和尼龍搭扣。 3光電計時系統 在導軌一側安裝兩個位置可以移動的光電二極管，它們分別為兩個小聚光燈泡所照亮。光電二極管與觸發器相聯。光電訊號通過觸發器產生合適的脈沖訊號，讓頻率計開始計時或停止計時。有一種工作情況是這樣的：當兩個光電二極管都被小聚光燈泡照亮時觸發器沒有訊號輸出，如果任一個小燈泡的光被擋住，觸發器就輸出一個脈沖訊號，通過屏蔽線輸入到頻率計的

4、“計”位，頻率計就開始計時。此后如果任一個小燈泡(可以是原來的小燈泡，也可以是另外一個)的光又被擋住，觸發器就發出第二個脈沖訊號，輸入到頻率計的“?！蔽唬l率計就停止計時。頻率計顯示的就是上述兩次擋光之間的時間間隔。 可見，整個光電測量系統的基本作用就是測量兩次擋光之間的時間間隔。這與停表的作用相似，第一次擋光相當于開動停表，第二次擋光相當于止動停表。 擋光刀片的一端有一透光缺口，整個刀片有四條互相平行的邊，將擋光刀片固定在滑塊上，使之隨滑塊一起運動。當刀片隨滑塊自右向左運動，并經過光電二極管時，刀片的四條邊依次經過小燈泡。第一條邊經過小燈泡時將光擋住，觸發器輸出脈沖信號，頻率計開始計時；當第

5、三條邊經過小燈泡并再次擋住光時，觸發器輸出第二個脈沖信號，頻率計停止計時。于是頻率計顯示的時間t就是滑塊移動距離s所用的時間，s是第一條邊與第三條邊的間距。 在本實驗中，數字毫秒計為MSII型，精度可達0.1ms，電腦計時器為MUJIII型，精度可達0.01ms，均比停表的精度高（10ms）。二、 氣軌的水平調節無論在氣軌上做哪個實驗，在實驗前都要將氣軌調整成水平狀態，才能滿足實驗的條件，調平一般分為兩步進行：1.粗調首先打開氣源，給導軌通氣，然后將滑塊輕輕置于導軌之上，如果發現滑塊無論放在什么部位都朝同一個方向運動，說明導軌不平，應該調節導軌下的單腳螺絲（雙腳螺絲不要動，單腳螺絲順時針旋轉上

6、升，逆時針旋轉下降），直到將滑塊放在中間及兩端時，滑塊靜止或總朝著同一個方向運動為止。2.細調將兩個光電門置于導軌上相隔較遠的（80cm左右）的對稱位置上，推動滑塊，使之在導軌上來回運動，同時依次記錄滑塊向一端運動的過程中，先后通過兩個光電門時計時器所顯示的時間t1、t2(向左的時間)和t3、t4（向右的時間），等等?；瑝K運動時，由于仍然存在這一定的阻力，從而滑塊的運動速度總是越來越慢，故t2-t1，t4 -t3，等等均大于0，而且如果導軌是水平的，則向左運動時的（t2-t1）應等于或略小于向右運動時的（t4 -t3）的值，否則，就要判斷哪一端比較高，在通過調節單腳螺絲來達到上述要求。三、驗證

7、機械能守恒 驗證重力勢能與動能的相互轉化 只有重力或彈力做功, 或系統的外力和非保守內力做功和為零系統的機械能守恒，在此表現為重力勢能的減少量等于動能的增加量。在氣軌上，因為空氣阻力和摩擦力很小，所以可以忽略空氣阻力和摩擦力，近似的認為機械能是守恒的. 本次試驗是在傾斜的導軌上進行的，首先測量單腳螺絲與雙腳螺絲之間的距離l0，然后將氣軌調平，在單腳螺絲的下面墊高為h0的墊子。在理想條件下，滑塊從斜面的一端滑下，在斜面上的任意兩點應有 12mv12+mgh1=12mv22+mgh2兩邊同時約去m并移項可得v12-v22=2gh12進行實驗時v1、v2可以通過擋光片的寬度和遮光時間計算出來，h12

8、=l12sinh0l0因此在實驗中只需測量斜面上兩點的速度以及兩點在軌道上的距離差，分別計算動能的增量和重力勢能的減少量，比較兩者在誤差范圍內是否相等。驗證彈性勢能與動能的相互轉化在只有彈力做功時機械能守恒，即彈性勢能的減少量能等于動能的增加量，在氣軌上，因為空氣阻力和摩擦力很小，所以可以忽略空氣阻力和摩擦力，近似的認為機械能是守恒的.通過拉伸法測得輕質彈簧的彈性系數為k。測量的彈簧原長為x0。 將彈簧壓在兩個滑塊之間，同時在滑塊間系一根細繩，使彈簧壓縮，測得細繩的長度即此時彈簧的長度為x。根據機械能守恒有： 的測量方法和驗證重力勢能與動能守恒實驗相同?！緦嶒瀮x器】氣墊導軌（1.5m長的L-Q

9、G-T型），氣源，光電計量系統（數字毫秒計，光電門），滑塊一個，游標卡尺，皮尺，墊子若干?！緦嶒瀮热荨?. 在導軌相距較遠的對稱位置固定兩個光電門G1、G2的位置，根據導軌上的尺寸，讀出兩個光電門之間的距離l12（相距大約在0.4m左右），讀至少五次，并記錄。2. 用皮尺測量單腳螺絲與雙腳螺絲之間的距離l0，測量至少五次，并記錄。3. 調節氣軌水平及光電計量系統，使它們處于正常工作狀態，調節結束后，須經老師的檢查，檢查合格之后方可進行下一步操作。4. 選取幾個墊子，使它們堆放整齊，用游標卡尺測量墊子的總高度h0（大約在0.02m左右），至少測量五次，每次測量選取不同的位置。5. 讓滑塊從斜面高

10、處滑下（要求從靜止釋放），測量滑塊通過G1、G2的時間t1、t2，記錄在表格中，重復試驗至少五次。6. 用直尺測量彈簧原長三次，計算平均值x0，在彈簧下吊一個砝碼，測量此時彈簧的長度x1，再繼續增加一個砝碼，測量此時彈簧長度為x2，以此類推，每次分別增加一個砝碼，測得五個彈簧長度值，再依次減去一個砝碼，測得彈簧長度為xi（i=1,2,3,4,5）根據逐差法求的彈簧彈性系數。7. 將彈簧壓在兩個滑塊之間，同時在滑塊間系一根細繩，使彈簧壓縮，測得細繩的長度即此時彈簧的長度為x，將滑塊靜止置于調平衡的氣軌上。8. 剪斷細繩，兩滑塊在彈簧作用下向兩邊運動，通過光電門的時間分別記為t3和t4。將數據記錄

11、在表格中，并重復實驗至少五次?！緮祿涗浥c處理】1.表格l12的長度測次12345l12（cm）l0的測量測次12345離l0（cm） h0的測量測次12345h0(cm)滑塊質量m= g, 擋光片間距d= mm測次t1(ms)t2(ms)v1v2v12v22v12-v2212345砝碼質量m（）01.002.003.004.005.00增碼讀數（）減碼讀數平均讀數（）（）測次12345【注意事項】（1）氣墊導軌是一種精度較高的現代教學儀器。軌面的直線度，粗糙度，滑行器內角及表面的平面度都有較高要求，切忌振動、重壓。嚴防碰傷和劃傷。不允許在不通氣的情況下將滑塊在軌面上滑磨，關閉氣源之前，必須先將滑塊取下置于安全之處，若不慎未將滑塊去下就關閉氣源，應先打開氣源，再取下滑快。（2）實驗前一定要檢查氣孔是否通暢，如有小孔被堵塞，滑塊運動到該處就會受到影響，甚至會停住不動。如有小孔被堵塞，應該用細鋼絲（直徑小于05毫米）捅開，接通氣源后，須待導軌空腔內氣壓穩定、噴氣流量穩定之后在進行實驗。（3）應預先反復練習試做，達到熟練后再正是測量和記錄?；瑝K的運動速度不宜過低，否則當外界因素變化時（如室內氣流量不穩、壓力不均時，會影響滑行器的運動）。一般