《大学物理实验》2-04 气轨上的实验

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1、实验四气垫导轨实验气垫导轨是一种摩擦阻力极小的力学实验装置，由导轨、滑块和光电测量系统组成。利用气垫导轨可以观察和研究在近似无阻力的情况下物体的各种运动规律。极大地减少了力学实验中由于摩擦力而出现的较大误差，使实验结果接近理论值，实验现象更加真实、直观。一．实验目的1．熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。2．熟悉光电测量系统的工作原理，学会光电测量系统测量调整和操作方法。二．实验仪器QG02型气垫导轨，DB-3A型微音气泵，CS－Z型数字测时器等。实验装置主要包括三个部分：气源、气垫导轨和光电测量系统。（

2、一）气源气源是由电动机带动风扇转动形成压缩空气的装置，压缩空气用导管通到气轨的进气口。（二）气垫导轨如图1所示，本实验采用QG02型气垫导轨。图1651.导轨。导轨（如图1所示）是一根固定在钢架上的三角形金属空腔管，在空腔管的侧面钻有数排等距离的小孔。空腔管的一端封闭，另一端通过塑料管与气泵相连。气泵将压缩空气送入空腔管后，再从小孔高速喷出。在导轨上安放滑块，在滑块的上下部间便形成了一定的压力差，这个压力差超过滑块本身的自重时，滑块便浮起；在导轨下装有调节水平用的底脚螺丝和用于测量光电门位置的标尺。2．滑块滑

3、块由角铁制成，其内表面可以与导轨的两个侧面密合。当气流从导轨上的小孔中高速喷出时，在滑块和导轨(图2所示)之间形成很薄的空气层，使滑块悬浮在导轨上，一般气膜厚度大约10～200微米之间，故此滑块可以在导轨上近似无摩擦的直线运动。滑块中部的上方水平安装着挡光片，与光电门和计数器相配合，测量滑块经过光电门的时间或速度。滑块上还可以安装配重块（用以改变滑块的质量）、弹性碰撞器（弹簧）、非弹性碰撞器（像皮泥）等配件，用于完成不同的实验。3.气垫导轨的调平将气垫导轨放置在实验桌上，接通并开启气源，将一滑块放置在导轨的中

4、点及距离两端1/2处。调节气垫导轨的高度调节旋钮，使旋钮的上边缘处于高度标尺0处，调节横向水平调节旋钮，使滑块基本静止在气轨中部或作不定向的游动。注意在调节横向水平调节旋钮时，尽量使导轨横向水平，一般实验中可通过目测，使导轨横向水平。4.气垫导轨滑轮的使用将滑轮组件上有圆缺口朝上，铜杆插入气垫导轨一端的发射架上的孔内，通过目测旋转滑轮使滑轮垂直向下，然后旋紧发射架上的紧固螺丝旋钮，固定滑轮组件。用一根细线（长度根据实验要求）一端穿过滑块上部两端的连接片上的小孔并打结（活结），另一端和法码盘连接，将细线跨过已安

5、装在气垫导轨上的滑轮槽内，当接通电源时，浮起的滑块即在外力（法码盘）的作用下运动。5.遮光片的选用遮光片有两种形式，即无槽的S1型和有槽的S2型。遮光片安装在滑块上，遮光片的槽口应放入滑块的顶部，再用螺丝旋钮旋紧固定。遮光片要经过光电门中间（图3）。应当注意，选用的遮光片的形式应与数字测时器功能的选择一致。6.发射架－用来获得滑块的基本相同的初速度7.碰撞弹簧的修整滑块两端的弹簧与气轨端座的弹簧碰撞必须呈对心碰撞。如果碰撞偏斜，滑块运动时就会左右摇摆，造成能量损失，产生较大的实验误差。气垫导轨采用低噪声气源与

6、其配套，将气源的软管与气垫导轨的进气接口接上，启动气源，气轨表面的小孔即能喷气，在一般情况下，这样即能使用。（三）光电测量系统66光电测量系统由光电门和CS－Z型智能数字测时器组成。光电门结构和测量原理如图3所示。当滑块从光电门旁经过时，安装其上方的挡光片穿过光电门，从发射器射出的光被挡光片遮住而无法照到接收器上，此时接收器产生一个脉冲信号。在滑块经过光电门旁的整个过程中，挡光片两次挡光，则接收器共产生两个脉冲信号，计数器将测出这两个脉冲信号之间的时间间隔△t。如果预先确定了挡光片的宽度，即挡光片两翼的间距△

7、s，则可求得滑块经过光电门时的速度v=△s/△t。CS－Z型智能数字测时器用5l系列单片机作为中央处理器，并编入了相应的数据处理程序，具备多组实验数据的记忆存储功能。从A、B两个光电门（光电门接在通用计数器背面的插座上）采集数据信号，经中央处理器处理后，在LED数码显示屏上显示出测量结果。主机由三块电路板组成，分为主板、键盘板和显示板（图4所示）。使用方法（配合使用气垫导轨）图41准备1.1）调整好气垫导轨，将一套或二套光电门架固定于导轨上。1.2）在导轨滑块上安装好挡光片。并使挡光片正好从光电门支架中穿过。

8、测时器将测出移动的挡光片二次挡光的时间间隔△t。注：①标准挡光片的△s为2.00cm、2.20cm、2.40cm等。②测定速度和加速度时必须使用开口挡光片。图5③△t为滑块通过△s距离所需的时间2．连接2.1）将光电门连线插头插在“光电门A”和“光电门B”插座上。注：二套光电门必须同时插上，否则无法工作。2.2）检查电源开关处于OFF位置。2.3）将电源线插头插入测时器电源插座上，另一端插入交流22