物体速度加速度测量在物理实验中由于摩擦的存在，力学实验的误差往往很大，采用气垫装置后，物体在导轨上运动，由宇气垫的漂浮作角，使运动物体写导轨面实际上不发生往何直接接触，这就失关地减小了运动时的摩擦阻力，使实验现象更为直观，实验结果接近于理论值。1实验目的1）学会使用气垫导轨和数字毫秒计。2）掌握测量速度和加速度。3）观测、验证简谐振动的运动规律。2实验仪器气垫导轨、滑块，数字毫秒计，弹簧。3实验原理3.1速度和加速度的测量物体作直线运动时，如果在△t时间间隔内，通过的位移为△，则物体在△t的时间间隔内的平均速度V为：V-Ar(1)At当△t趋近于零时，平均速度的极限值就是该时刻（或是该位置）的瞬时速度。KAX-→0当滑块在气垫导轨上运动时，通过测量滑块上的档光板经过光电门的档光时间△t和测量档光板的宽度△x（见图2-1）。即可求出滑块在△t时间内的平均速度v。由于档光板宽度比较窄，可以把平均速度近似地看成滑块通过光电门的瞬时速度。档光板愈窄，相应的△t就愈小，平均速度就更为准确地反映滑块在经过光电门位置时的瞬时速度。在水平的气轨上的滑块，如果受到水平方向和恒力作用，则滑块在气轨上作匀加速度运动，分别测量滑块通过两个光电门时的初速度V和末速度V，并测出两个光电门的间距S，则滑块的加速度a为：a=V3-v?(2)2S图2-1挡光板在水平的气轨的倾斜度调节螺丝下面，垫进垫块。如图2-2所示，使导轨倾斜，滑块在斜面上所受的合力为mgSinα是一个常量，因此，滑块作加速度直线运动，即：h(3)a=gsinα=g 2式中L为导轨地脚螺丝间的距离，h为垫块的厚度。由（2）（3）两式可得：
物体速度加速度测量 在物理实验中由于摩擦的存在，力学实验的误差往往很大，采用气垫装置后，物体在导 轨上运动，由于气垫的漂浮作用，使运动物体与导轨面实际上不发生任何直接接触，这就大大 地减小了运动时的摩擦阻力，使实验现象更为直观，实验结果接近于理论值。 1 实验目的 1）学会使用气垫导轨和数字毫秒计。 2）掌握测量速度和加速度。 3）观测、验证简谐振动的运动规律。 2 实验仪器 气垫导轨、滑块，数字毫秒计，弹簧。 3 实验原理 3.1速度和加速度的测量 物体作直线运动时，如果在△t时间间隔内，通过的位移为△x，则物体在△t的时间间 隔内的平均速度V为： （1） 当△t趋近于零时，平均速度的极限值就是该时刻（或是该位置）的瞬时速度。 当滑块在气垫导轨上运动时，通过测量滑块上的档光板经过光电门的档光时 间△t和测量档光板的宽度△x（见图2-1）。即可求出滑块在△t时间内的平均速度v。由于档 光板宽度比较窄，可以把平均速度近似地看成滑块通过光电门的瞬时速度。档光板愈窄，相应 的△t就愈小，平均速度就更为准确地反映滑块在经过光电门位置时的瞬时速度。 在水平的气轨上的滑块，如果受到水平方向和恒力作 用，则滑块在气轨上作匀加速度运动，分别测量滑块通过 两个光电门时的初速度 和末速度 ，并测出两个光电 门的间距S，则滑块的加速度a 为： (2) 在水平的气轨的倾斜度调节螺丝下面，垫进垫块。 图 2-1 挡光板 如图2-2所示，使导轨倾斜，滑块在斜面上所受的合力为mgSinα 是一个常量，因此，滑 块作加速度直线运动，即： （3） 式中L为导轨地脚螺丝间的距离，h为垫块的厚度。由（2）（3）两式可得：
滑块回光电门1RE(V2-V)Lg=(4)2hsV日2卡门kL?图2-2气垫导轨示意图4实验内容及步骤4.1.1接通数字毫秒计1）将数字毫秒计开关打开，显示屏上显示“P”，表示数字毫秒计处于待测状态。2）将输入选择键置于白炽灯，光电门上的小灯珠亮。3）将功能/修改键置于P1°4）将时标/预置键置于0.1ms（即显示屏上的左边第1位）。5）用铅笔杆对任一光电门作短暂挡光，毫秒计开始计时，显示屏上左边第1位出现“二”释，若再稻一下光，毫秒计就显宗数据，表宗毫秒计光电系统正常工作。6）按复位键进行更换测量方式。然后重新选用功能/修改键设定仪器测量方式。4.1.2调节气垫导轨水平1）滑块静止判断法：通气后将滑块置于导轨上的任何位置，若滑块都能静止不动（或基本上不动），则可认为导轨已调平，否则，继续调单脚螺丝，直到水平为止。2）滑块运动判断法：将功能/修改键置于P方式，滑块插上空心档光板，让运动的滑块以一定速度先后通过相距约50cm的两个光电门，若毫秒计上，显示的两个时间（E1，Es)两近似相等，则可认为导轨已调水平，否则要继续调节螺旋，直到水平为止。3）调水平后，在导轨的一端垫上一块厚1.00cm的垫块，使导轨倾斜。4）调整光电门的位置。将光电门s置于标尺100.00cm处，置于标尺的50.00cm处，使SiS2=50.00cm5）让滑块从导轨的高端自由滑下，测出滑块经过第一个光电门和第二个光电门的档光时间At和At2：（用空心档光片，挡光片的宽度为Ax。）重复测量8次，并确定滑块经过两光电门位置的速度、加速度及其不确定度。6）把垫块换到导轨的另一端，按照步骤5再测两次取平均值。7）用（4）式计算重力加速度。五数据处理要求1）设计时间测量数据记录表格。2）计算速度、加速度测量平均值及不确定度。3）计算重力加速度测量平均值及不确定度。附录一气垫导轨简介气垫导轨是利用从它表面的小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑块之间形成一层很薄的“气垫”，将滑块浮起，滑块在导轨表面运动时，就不存在接触摩擦力，而只有很小的空气粘滞力和空气阻力，滑块的运动可近似看成是无摩擦力的运动，而只有很小的空气粘滞力和空气阻力，滑块的运动可近似看成是无摩擦力的运动。1气垫导轨的结构如图2-3所示，气垫导轨是一种力学装置，它由导轨、滑块和光电门三部分组成
（4） 图2-2 气垫导轨示意图 4 实验内容及步骤 4.1.1接通数字毫秒计 1）将数字毫秒计开关打开，显示屏上显示“P”，表示数字毫秒计处于待测状态。 2）将输入选择键置于白炽灯，光电门上的小灯珠亮。 3）将功能/修改键置于 。 4）将时标/预置键置于0.1ms ( 即显示屏上的左边第1位)。 5）用铅笔杆对任一光电门作短暂挡光，毫秒计开始计时，显示屏上左边第1位出现 “一”杆，若再档一下光，毫秒计就显示数据，表示毫秒计光电系统正常工作。 6）按复位键进行更换测量方式。然后重新选用功能/修改键设定仪器测量方式。 4.1.2调节气垫导轨水平 1）滑块静止判断法：通气后将滑块置于导轨上的任何位置，若滑块都能静止不动（或基 本上不动），则可认为导轨已调平，否则，继续调单脚螺丝，直到水平为止。 2）滑块运动判断法：将功能/修改键置于 方式，滑块插上空心档光板，让运动的滑块 以一定速度先后通过相距约50cm的两个光电门，若毫秒计上，显示的两个时间 两近似 相等，则可认为导轨已调水平，否则要继续调节螺旋，直到水平为止。 3）调水平后，在导轨的一端垫上一块厚1.00cm的垫块，使导轨倾斜。 4）调整光电门的位置。将光电门 置于标尺100.00cm处， 置于标尺的50.00cm处，使 。 5）让滑块从导轨的高端自由滑下，测出滑块经过第一个光电门和第二个光电门的档光 时间 和 。（用空心档光片，挡光片的宽度为 。）重复测量8次，并确定滑块经过两光 电门位置的速度、加速度及其不确定度。 6）把垫块换到导轨的另一端，按照步骤5再测两次取平均值。 7）用（4）式计算重力加速度。 五 数据处理要求 1）设计时间测量数据记录表格。 2）计算速度、加速度测量平均值及不确定度。 3）计算重力加速度测量平均值及不确定度。 附录一 气垫导轨简介 气垫导轨是利用从它表面的小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑块之间形成一层很薄的 “气垫”，将滑块浮起，滑块在导轨表面运动时，就不存在接触摩擦力，而只有很小的空气粘 滞力和空气阻力，滑块的运动可近似看成是无摩擦力的运动，而只有很小的空气粘滞力和空气 阻力，滑块的运动可近似看成是无摩擦力的运动。 1气垫导轨的结构 如图2-3所示，气垫导轨是一种力学装置，它由导轨、滑块和光电门三部分组成
滑块导轨光电门D8图2-3气垫导轨1）导轨是一根长1.5m固定于字钢上的三角形金属腔体，在管腔上部相邻的两个侧面上，钻有两组等距离的小孔。导轨的一端封死，另一端为进气嘴，当压缩空气由进气嘴送入管就从小孔喷出高速气流。在字钢架的底部有三个底脚螺丝分居在导轨两端，其中双脚腔后，端螺丝用来调节导轨两侧面底线的高度相等，单脚螺丝用来调节导轨的水平。2）滑块：滑块是自制可调的长约15cm的玻璃滑块，调整其内表面与导轨的两个侧面精密吻合。当导轨上小孔喷出气流时，在滑块与导轨之间便形成很薄的气层，使滑块悬浮在导轨上，故滑块能在导轨上作接近于无摩擦的运动。滑动两端装有缓冲弹簧，中间装有用来测量时间间隔的挡光板。3）光电门：它是一个倒U钢板，固定在导轨两侧，在两侧面相对的位置上装有聚光小灯泡和光敏二极管。聚光小灯泡可360°调整其光照角度，使正好照在光敏管上。光敏管受光照射时，电阻较尔，无光照射时电阻就大得多，莉角这两种状态下的电阻变花，可获得二个讯号电压，用来控制数字毫秒计计数和停止。2气垫导轨使用注意事项1）导轨表面和滑块都是经仔细加工，两者配套使用，不要随意更换。实验中严禁敲、碰、划伤破坏表面的光洁度。导轨未通入压缩气体时，不许将滑块放在导轨上面滑动，滑块要夹装或调整档光板时，要把滑块从导轨上取下，装好后再放上去，以防挫伤表面。2）实验前，导轨表面和滑块内表面要用棉花沾少许酒精擦洗干净。实验完毕，要先取下滑块，把所有的附件放入附件盒，然后再关掉气源。附录二数字毫秒计数字毫秒计是采用MCS一48八位单片微电脑设计而成，具有测量精度高，可靠性能好、操作方便，读数准确等优点是一种具有存储功能的时间计量仪器。1数字毫秒计的工作原理光电输入信号经过整形，放大产生低电平，引起单片机8039外部中断，并启动8039内部定时器对标准的时标脉冲进行计数即计时，利用内部存储器每次输入的计时值。测量完后，进行数据处理，采用动态扫描的方式将多个时间数值显示出来。仪器的面板如图2-4所示。MCS-48数字毫秒计白炽触控红外时标预置功能/修复复位CD$武汉大学科教仪器厂N.C一电源开关控制键显示屏一输入选择开关图2-4(a)数字毫秒计面板图
图2-3 气垫导轨 1）导轨是一根长1.5m 固定于I字钢上的三角形金属腔体，在管腔上部相邻的两个侧面 上，钻有两组等距离的小孔。导轨的一端封死，另一端为进气嘴，当压缩空气由进气嘴送入管 腔后，就从小孔喷出高速气流。在I字钢架的底部有三个底脚螺丝，分居在导轨两端，其中双脚 端螺丝用来调节导轨两侧面底线的高度相等，单脚螺丝用来调节导轨的水平。 2）滑块：滑块是自制可调的长约15cm的玻璃滑块，调整其内表面与导轨的两个侧面精 密吻合。当导轨上小孔喷出气流时，在滑块与导轨之间便形成很薄的气层，使滑块悬浮在导轨 上，故滑块能在导轨上作接近于无摩擦的运动。滑动两端装有缓冲弹簧，中间装有用来测量时 间间隔的挡光板。 3）光电门：它是一个倒U钢板，固定在导轨两侧，在两侧面相对的位置上装有聚光小灯 泡和光敏二极管。聚光小灯泡可360°调整其光照角度，使正好照在光敏管上。光敏管受光照 射时，电阻较小，无光照射时电阻就大得多，利用这两种状态下的电阻变化，可获得一个讯号 电压，用来控制数字毫秒计计数和停止。 2气垫导轨使用注意事项 1）导轨表面和滑块都是经仔细加工，两者配套使用，不要随意更换。实验中严禁敲、碰、 划伤破坏表面的光洁度。导轨未通入压缩气体时，不许将滑块放在导轨上面滑动，滑块要夹装 或调整档光板时，要把滑块从导轨上取下，装好后再放上去，以防挫伤表面。 2）实验前，导轨表面和滑块内表面要用棉花沾少许酒精擦洗干净。实验完毕，要先取下滑 块，把所有的附件放入附件盒，然后再关掉气源。 附录二 数字毫秒计 数字毫秒计是采用MCS—48八位单片微电脑设计而成，具有测量精度高，可靠性能好、操 作方便，读数准确等优点是一种具有存储功能的时间计量仪器。 1数字毫秒计的工作原理 光电输入信号经过整形，放大产生低电平，引起单片机8039外部中断，并启动8039内部定 时器对标准的时标脉冲进行计数即计时，利用内部存储器每次输入的计时值。测量完后，进行 数据处理，采用动态扫描的方式将多个时间数值显示出来。 仪器的面板如图2-4所示。 图2-4(a) 数字毫秒计面板图
输出直流电源电压调节电位器直流电源输出插口7电源输出8司0电压调节B通道A通道0ofooO.01000保险管座电源插座光电转换器插座图2-4(b)数字毫秒计背面图2数字毫秒计的使用1）打开电源，显示屏上显示“P”2）显示屏上可显示五位数据以及小数点、P、P-Po、E、EiE.等符号。3）控制按键：a、功能/修改键：所有功能均由此键选择，重复按此键，显示屏上循环显示符号P-P6，PI-P.分别表宗仪器的兴种计时芳式。b、时标/预置键：仪器的时标及量程由此键选定，连续按此键，显示屏上的小数点从左到右循环移动，小数点的不同位置分别代表0.1ms、1ms、10ms、100ms、is五档不同时标。如果选0.1ms档，只需按此键1下，这时显示屏在第1位置示小数点，即最低位数的显示数为0.1ms位，小数点前为秒的整数位，计时最大量程为6.5535秒。文如选择10ms档。连续按此键，待小数点在第兰位显宗时，停止按键，即最低位数为10ms位，小数点前为秒的整数位，计数最大量程为655.35秒。不同的时标档所对应的最大计时量程如下：0.1ms1ms10 ms1s100ms6.5535s65.535s655.35s6553.5s65535s利用时标键可以重复测量，仪器在P.方式工作时，此键还作为预置数键使用。C、复位键：当需要更换测量方式时，则按此键，然后重新选用功能/修改键，设定仪器测量方式。4）输入选择开关：置白炽灯位置，应使用以白灯为光源的光电转换器，置于红外位置，应使用以红外二极管为光源的光电转换器；置于中间触控位置时，则为触点控制输入方式。3数字毫秒计的使用注意事项：毫秒计是精密仪器，使用前应仔细阅读有关附录，如果仪器发生故障，要及时向教师反映，得自行随意乱按面板按键
图2-4(b) 数字毫秒计背面图 2数字毫秒计的使用 1）打开电源，显示屏上显示“P” 2）显示屏上可显示五位数据以及小数点、P、 、E、 — 等符号。 3）控制按键： a、功能/修改键：所有功能均由此键选择，重复按此键，显示屏上循环显示符号 ， 分别表示仪器的六种计时方式。 b、时标/预置键：仪器的时标及量程由此键选定，连续按此键，显示屏上的小数点从左 到右循环移动，小数点的不同位置分别代表0.1ms、1ms、10ms、100ms、1s五档不同时标。如 果选0.1ms档，只需按此键1下，这时显示屏在第1位置示小数点，即最低位数的显示数为0.1ms 位，小数点前为秒的整数位，计时最大量程为 6.5535秒。又如选择10ms档。连续按此键，待 小数点在第三位显示时，停止按键，即最低位数为10ms 位，小数点前为秒的整数位，计数最 大量程为655.35秒。 不同的时标档所对应的最大计时量程如下： 0.1ms 1ms 10 ms 100ms 1s 6.5535s 65.535s 655.35s 6553.5s 65535s 利用时标键可以重复测量，仪器在 方式工作时，此键还作为预置数键使用。 c、复位键：当需要更换测量方式时，则按此键，然后重新选用功能/修改键，设定仪器测 量方式。 4）输入选择开关：置白炽灯位置，应使用以白灯为光源的光电转换器，置于红外位置，应 使用以红外二极管为光源的光电转换器；置于中间触控位置时，则为触点控制输入方式。 3数字毫秒计的使用注意事项： 毫秒计是精密仪器，使用前应仔细阅读有关附录，如果仪器发生故障，要及时向教师反 映，不得自行随意乱按面板按键