(仪器说明见附录) 速度和加速度测量供参习.docVIP

实验3 速度和加速度的测量 速度和加速度是描述物体运动状态的基本参量，实验中通常需要对它们进行测定，从而去研究物体运动的规律。本实验采用光电门采集数据来测量气垫导轨上滑块运动的速度和加速度。 一、实验目的 1、学习气垫导轨和存储式计时计数测速仪的使用。 2、掌握在气垫导轨上测量平均速度、瞬时速度和加速度的方法。 二、实验原理 1、测量滑块运动的瞬时速度 当物体做直线运动时，其瞬时速度定义为 (3-1) 按照这个定义，瞬时速度实际上是不可能测量的。因为当时，同时有，测量上有困难。因此，我们只能取很小的，以及相应的，用其平均速度来代替瞬时速度，即 (3-2) 尽管用平均速度代替瞬时速度会产生一定误差，但如果物体运动速度较大而加速度又不太大时，这种误差也不会太大。 本实验运用气垫导轨对做匀速直线运动物体的速度进行测量。 气垫导轨表面上的小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑块之间的摩擦力大大减小，气轨上的滑块运动几乎可以看作无摩擦的运动。当气轨水平放置时，自由漂浮的滑块所受的合外力为零，因此，滑块在气轨上可以静止，或以一定的速度作匀速直线运动。 在滑块上装一与滑块运动方向严格平行、宽度为的挡光板。当滑块经过设在某位置上的光电门时，挡光板将遮住照在光敏管上的光束，因为挡光板宽度一定，遮光时间的长短与滑块通过光电门的速度成反比，测出挡光板的宽度和遮光时间，则滑块通过光电门的平均速度为 (3-3) 若很小，则在范围内滑块的速度变化也很小，故可以把平均速度看成是滑块经过光电门的瞬时速度。越小，则平均速度越准确地反映该位置上滑块的瞬时速度。如果滑块作匀速直线运动，则滑块通过设在气轨任何位置的光电门时瞬时速度都相等，测速仪上显示的时间相同，在此情形下，滑块速度的测量值与的大小无关。 2、测量滑块运动的加速度 图3-1 滑块下滑示意图 如图3-1所示，如果将气垫导轨的一端垫高，形成斜面，滑块将做匀变速直线运动。由于测速仪计只能从时刻开始计时，则滑块的运动方程为 (3-4) (3-5) (3-6) 此时为滑块从处到处的运动时间，为两光电门之间的距离。由（3-5）滑块的加速度为 (3-7) 实验时，使滑块由导轨最高端（或某一固定位置）自由下滑，即可测得不同位置、、．．．处各自相应的速度和加速度值。 三、实验仪器 气垫导轨、气源、光电门、MUJ-5B型计时计数测速仪、挡光板、垫块。 四、实验内容与步骤 1、检查光电门，使存储式数字毫秒计处于正常工作状态，给气垫导轨通气。 2、导轨水平调整。由于斜面高度是相对于水平面而言，因此测量前首先应把导轨调整水平。水平调整分二步完成 （1）粗调。在导轨中注入压缩空气，在形成气垫后，将滑块放在导轨中部，利用观察滑块的运动方向来判断导轨的倾斜方向。调整导轨支座独脚螺丝，使滑块在导轨上基本稳定。 （2）利用计时器进行细调。如果导轨水平，那么滑块经推动后滑过P1和P2两点的速度应相同，也就要求与相等。但考虑到空气阻力的影响，即使导轨真是水平了，那么在滑块从P1向P2运动时，应使P2处的速度略小于P1处的速度（或者讲略大于），且满足。同理，也要求滑块经碰撞后弹回来经过P1、P2时，略小于，即略大于，且满足。达到上述水平调整要求后，再重复做5次，记录5组数据（每组包括、、和），以此来证实导轨已处于水平状态。 3、观察滑块的匀速直线运动 轻轻推动滑块，观察滑块在气轨上的运动，滑块和气轨两端的缓冲弹簧的碰撞情况。分别记下滑块经过两个光电门时的速度和，试比较和的数值，若和之间的差别小于（或）的时，则导轨接近水平，此时可近似认为滑块作匀速直线运动；若和相差较大，可通过调节导轨底座螺钉使导轨水平。 4、测量滑块的瞬时速度 （1）在倾斜导轨上任一位置处放置一光电门； （2）使滑块从导轨最高处（或某一固定位置）自由下滑，由测速仪测出滑块经过光电门的速度，至少反复五次，取平均值，将数据填入表3-1； （3）改变滑块的初始位置，再自由释放，然后重复步骤（2）。 5、测量滑块的加速度 （1）在倾斜气轨上任意两个位置处放置两个光电门； （2）使滑块从导轨最高处（或某一固定位置）自由下滑，由测速仪测出滑块在两个光电门之间的加速度，至少重复五次，取平均值，将数据填入表3-2； （3）改变滑块的初始位置，再自由释放，然后重复步骤（2）。 五、实验数据处理 表3-1 滑块运动