《利用气垫导轨测空气阻尼常数及讨论》-毕业设计(论文).docVIP

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利用气垫导轨测空气阻尼常数及讨论 摘 要:在大学物理实验教学中,利用气垫导轨的测量大多都忽略了滑块的运动阻力。但事实上,滑块运动过程中受到的阻力往往会给结果带来较大误差。这其中最主要的是空气粘滞阻力,气垫导轨实验中,理论上是无摩擦的,但是实际上存在许多的阻尼因素,滑块在气垫导轨上的运动是一种受到空气粘滞性摩擦阻力作用而缓慢减速的运动,本文对不含倾斜角误差的气垫导轨阻尼常数进行理论推导,并给出具体的测量方法,同时针对具体例子(两光电门之间的距离以及倾角对之间的关系)进行了讨论。 关键词:气垫导轨;空气黏滞阻尼系数;光电门;上滑下滑法。 1.引言 飞机在空中飞行, 树在风中摇曳;一切与空气发生相对运动的物体都会受到与之接触的空气的摩擦力,在摩擦过程中, 这一气层会随着运动物体一起做适当运动;而与这一气层接触的下一层,由于分子力的作用, 对上一层产生的粘滞力,会往相反方向阻碍这种运动;一层一层的影响下去便形成流体中的流层。有时树欲静而风不止,有时狂风大作力拔大树,空气的粘滞力也是时大时小;航天飞机着陆进入大气层时, 空气的摩擦粘滞力可以产生千多度的温度, 可见其做功的威力[1]。表征流体粘滞力这些特征的系数叫粘滞系数。在一些力学实验中,由于空气粘滞力的影响会带来一些误差,所以研究空气粘滞系数的测量具有一定的实际意义。 2.理论基础 由气体内摩擦理论知道,如果用表示空气中物体所受粘滞性摩擦阻力,则在滑块的速度不太大时,可以认为由下式决定 式中表示滑块和导轨之间气层的速度梯度,A是滑块和导轨之间气层的面积,是空气的内摩擦系数。其中速度梯度可以改写成式中为滑块定向运动的速度,为垂直于导轨表面方向上滑块的漂浮高度,于是可得因此粘滞性阻力可以认为和滑块的速度成正比,如果同时考虑力的方向,则上式可以写成其中称为粘滞性阻力常数,它在数值上等于滑块具有单位速度时,滑块所受的粘滞性阻力常数的大小。显然,粘滞性阻力是和滑动摩擦力不同的一种气体间的内摩擦力,它是和速度有关的变力。 b是衡量气垫导轨性能优劣的一个综合性指标。b值越大,表明滑块在一定的速度情况下所受到的粘滞性摩擦阻力就越大,滑块的运动离理想的无摩擦运动就越远,从而说明导轨的性能就越差。 图1在倾斜气垫导轨上运动的滑块,所受到的外力如图所示滑块受到的粘滞性摩擦阻力的大小与滑块的速度成正比 图1在倾斜气垫导轨上运动的滑块,所受到的外力如图所示 呢?以下是滑块的运动分析: 则滑块运动的微分方程为: (1) (2) 令滑块运动的初始条件如下: , 那么方程(2)满足上述初始条件的解为: (3) 且其速度方程为: (4) 由(3)式和(4)式可知, 由于粘滞性摩擦阻力的作用, 滑块的运动不再是加速运动。为了更清楚地看出解的物理意义, 联立方程(3)、(4)并消去指数因子e, 得: (5) 把代入(5)式得: (6) 上式的物理意义很明显,前两项表示粘滞性摩擦阻力不存在时滑块作单纯的匀加速运动, 最后一项表示由粘滞性摩擦阻力所引起的附加速度的损失。附加速度损失的大小与导轨的阻尼常数b及滑块运动的距离成正比, 与滑块的质量成反比。粘滞性摩擦阻力对滑块运动的影响是引起附加速度的损失。由于在实验中必须对因粘滞性摩擦阻力的存在所引起的附加速度的损失进行修正,所以必须要解决粘滞性阻尼常数的测定问题。 如图1所示, 让待测定气垫导轨倾斜一个小角度θ, 在该气垫导轨上相距为S的两个位置安装两个光门S1和S2, 使质量为m的滑块从导轨上端最高处或靠近最高处的某一位置自由下滑。此时滑块所受到的下滑力为F=mgsinθ, 空气粘滞性摩擦阻力为fu。设滑块通过光电门S1的速度为V1, 通过光电门S2的速度为V2,通过两个光电门S1、S2之间的距离S所需时间为t, 根据(6)式, 可得 (7) 于是可得: (8) 则利用(8)式可解出b值。这一方法在理论上是没有问题的, 但是在实际的测量中还存在着很大的问题。其原因是要测出导轨对水平的倾斜角θ, 需要应用公式sinθ=Δh/L, 式中Δh是导轨一脚端对水平垫高的高度,L是一脚端对于两脚端之间的垂直距离。在实验中,首先要把导轨调节到水平状态,正是这一点要求很难实现,通常我们认为已调水平的导轨, 实际上可能还包含着微小的倾斜角误差, 而值本身是极小的, 任何微小的倾斜角误差都会对b值的测量带来很大的影响,使测量的b值不可能准确。所以本文采用如下方法对b进行测定: 为了用实验的方法消除倾斜角θ对b值的影响,我们可以采用上滑下滑法来测量。所谓上滑下滑法,即在同一倾斜角θ下,使滑块从倾斜气轨的最高处或靠近最高处的某个位置由静止开始自由下滑至底部并缓慢碰撞弹簧后弹回向上滑动图2为滑块反弹后在导轨上的运动受力分析来进行测定(如图2所示) 图2为滑块反弹后在导

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