长江大学：物理与光电工程学院（物理实验）气垫导轨综合实验

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m和m2的两个滑块，由于气垫的漂浮作用

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Vio和v20，碰撞后的速度分别为Vi和v2，根据动量守恒定律(1)my1o+mV20=my+my2实验测出m1、m2、V10、V20、VI、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2121m+mm-1m+(2)imy2联立式(1)和式(2)，求解得(3)Vo-V20=V2-V式(3)表明两滑块弹性碰撞前的接近速度(vo-V2o)，等于它们碰撞后分离速度(v2-v)。若mi=m2，V20=0,由(1)、(2)、(3)式解出y=02=V/o，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vi=V2=v由式(1)有(1)mV1o+m'20=my+my2V= mo +m,v2o于是有m+m若mi=m2，V20=0，则有v=Vo/2六、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、气垫导轨简介配重块光电门架节塑m拉光片弹性碰撞器5em热光片Zm挂光片久指光条非弹性碰擦器疑

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 m v m v m v m v 1 10 2 20 1 1 2 2    (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 10 20 2 1 v v v v    (3) 式(3)表明两滑块弹性碰撞前的接近速度( 10 20 v v  )，等于它们碰撞后分离速度( 2 1 v v  )。 若 m1=m2，v20=0,由(1)、(2)、(3)式解出 v v v 1 2 10   0 ，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 m v m v m v m v 1 10 2 20 1 1 2 2    (1) 于是有 若 m1=m2，v20 =0，则有 10 v v  2 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 2 2 2 2 1 10 2 20 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 m v m v m v m v    1 10 2 20 1 2 m v m v v m m   

图1L-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0.5mn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，切息摔碰，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P，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

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m即将与其相碰时迅速放开手），保证v20=0PP7=0oo回"-...图2碰撞操作示意图5）将沿块m放在光电门P,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mi，使它返回以初速度Vio通过P门，如图2所示。6）两滑块相碰后，可观察到滑块mi静止，m2以速度v2通过P2门，记下Pi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ml=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

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(1) m,=m2m, =gmz =g速度P(g-cm/ s)P(g·cm/ s)U20相对误差VoUiV21(静止）（碰撞前）（碰撞后）次数102030gg(2) m, ±m2m, =m2 =速度Po(g·cm/s)P(g·cm/ s)U20相对误差U1V21Uio(静止）（碰撞前）（碰撞后）次数1020302、完全非弹性碰撞(1)m, =m28m =gmz =速度Po(g·cm/ s)P(g·cm/ s)U20相对误差U1VioU21（静止）（碰撞前）（碰撞后）次数10203060(2)m +m2m, =gmz =速度P(g·cm/ s)P(g·cm/ s)U20U相对误差UioU21(静止）（碰撞前）（碰撞后）次数102030

八、数据表格及数据处理 1、弹性碰撞 (1) m1  m2 m1  g m2  g 速度 次数 10 20 （静止） 1  21 ( / ) 0 P g  cm s （碰撞前） P(g  cm/s) （碰撞后） 相对误差 1 0 2 0 3 0 (2) m1  m2 m1  g m2  g 速度 次数 10 20 （静止） 1  21 ( / ) 0 P g  cm s （碰撞前） P(g  cm/s) （碰撞后） 相对误差 1 0 2 0 3 0 2、完全非弹性碰撞 (1) m1  m2 m1  g m2  g 速度 次数 10 20 （静止） 1  21 ( / ) 0 P g  cm s （碰撞前） P(g  cm/s) （碰撞后） 相对误差 1 0 2 0 3 0 (2) m1  m2 m1  g m2  g 速度 次数 10 20 （静止） 1  21 ( / ) 0 P g  cm s （碰撞前） P(g  cm/s) （碰撞后） 相对误差 1 0 2 0 3 0

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

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