2017CUPT实验总结报告

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1、........2017CUPT实验总结报I题目真空火箭炮姓名学号指导教师实验地点实验时间17.04.01-2017.06.25.专业学习资料.........一、问题综述VacuumbazookaA‘vacuumbazooka’canbebuiltwithasimpleplasticpipe,alightprojectile,andavacuumcleaner.Buildsuchadeviceandmaximisethemuzzlevelocity.用一个塑料管，一个物体和一个真空吸尘器来制作一个真空火箭炮，并且最大化出口速

2、度。关键词：塑料管、真空吸尘器、最大化、出口速度二、实验原理及初步试验该实验实质上是利用了大气压强差来对管内物体加速，当管内气体被抽出后，管内气压小于外界气压，密封端被打开后物体便会在压强差的作用下加速前进。如图一所示：试验中的测速我们采用物体长度除以经过光电门时间的方法来进行速度的计算。光电门由32单片机制作，精度为微秒级别。.专业学习资料.........一、理论分析模型一：认为物体与管道完美契合，不考虑能量损耗。假设在水平放置的装置中抛射物质量为m，横截面积为A,空气密度为ρ。抛射物初始位置为X=0.且靠近小球一段的封口

3、处内外压强差一直为P0，运动时抛射物和其后方的空气柱一起加速。由动量定理可得：P0At=m+ρxAdxdt对该方程进行求解可得出口速度表达式：         Vx=P0ρ.1-11+Aρxm2由理想表达式可以看出物体质量、横截面积、管长、初始压强差均对出口速度均有影响。可对这些因素的影响进行单一变量实验分析。.专业学习资料.........一、实验&数据分析实验一:物体质量与速度的关系该部分实验在其它条件不变的情况下，通过改变物体质量来探究物体质量与出口速度的关系。炮弹长：88.20mm管长：183mmcm面积：1541mm

4、^2重量/g20.933.3549.9566.5583.15103.9时间/ms2.42.93.53.63.73.7时间/ms2.43.03.53.73.73.7时间/ms2.43.23.53.73.73.8平均2.403.033.503.673.703.73速度m/s36.7528.9225.224.0323.8323.65.专业学习资料.........得出结论：相同情况下，物体质量越小，出口速度越大实验二：物体面积与速度的关系该部分实验是在其它情况不变的情况才，通过改变物体受力面积来探究物体面积与出口速度的关系。炮弹长度

5、81.78mm炮弹质量30.86g炮管长度3700mm直径mm26.1829.1132.3135.738.4840.7642.75时间ms13.8710.948.287.415.485.024.31时间ms11.4611.758.427.515.505.183.85时间ms14.9911.228.387.405.555.284.49.专业学习资料.........平均时间13.4411.308.367.445.515.164.22速度m/s6.087.239.7910.9914.8415.8519.39得出结论：相同情况下物体

6、速度随受力面积增大而增大实验三：炮管长度与速度的关系该实验是在其它情况不变的条件下，通过改变炮管长度来探究炮管长度与出口速度的关系。长度m0.20.611.41.82.22.6速度m/s11.3022.1225.5426.8530.4632.9934.79.专业学习资料.........长度m345.886.57.88911.6速度m/s34.4150.0070.0074.0076.0070.0076.07得出结论：相同情况下，物体速度随管长增加而增加。通过以上控制变量实验，可以定性的得出各主要变量对出口速度的影响。但实际出口

7、速度大小与理论速度差距较大，究其原因可以得出理论模型中忽视了各种能量损耗，模型很不完美，不够贴合实际，现对模型一进行改进。一、理论改进模型二：.专业学习资料.........由于物体运动过程中吸尘器处于工作状态，物体前方的气体会以一定的速度被吸出。物体是否受到阻力取决于其与空气的相对速度。物体在空气中运动的阻力公式为：f空=12cρsv2（3）验中测得直径25.5mm物体所受吸力为1.8N，由公式（3）可得气体流动速度约为76m/s。实验测得炮弹与管内壁动摩擦因数为0.2位移一定距离过程中物体速度将出现一个峰值。实验时测量物体

8、运动过程中管内压强变化如图所示：由实验数据通过拟合可以得到压强变化公式为：Pt=P0e-αt-t0其中：?=35.91P0=93.8kpa由牛顿第二定律和绝热方程可建立如下方程式：.专业学习资料.........P0S-PS-f=mdvdt-dPP+γV0V0γα-vSdt=