气垫导轨在力学探究实验中的两个妙用

在力学的探究实验中,经常会碰到与摩擦力有关的问题。与摩擦力有关的实验,可以用气垫导轨来解决,实验结果更精确。

气垫导轨是利用气源将空气打入导轨内空腔,再由导轨表面上的小孔喷出气流,在导轨与滑行器之间会形成很薄的气膜,将滑行器浮起,使滑行器与导轨之间的摩擦力减少到可以忽略的程度。再忽略空气阻力,滑行器就可看作是没有受阻力的物体,大大减少由于摩擦力而误差,实验结果接近理论值。

妙用一 用气垫导轨来探究加速度与力、质量关系

课本中用两小车在光滑水平木板上的运动,通过两小车的位移之比来确定加速度之比。这个实验误差在与:两小车所受摩擦力不可能完全相同,在两小车质量不同时误差更大。

改用气垫导轨完成此实验,可以减少误差。实验步骤如下:

(1)调节气垫导轨呈水平状态,保持滑行块(即小车)的质量不变,改变对滑行块的拉力,即改变与滑行块相连的吊桶的质量。本实验每次在桶里加10g砝码,用电脑数字计时器记录滑行块经过两光电门的时间,计算它的加速度。画出a-f***像,探究加速度与力的关系。从***1中可知a与f成正比。

(2)调节气垫导轨呈水平状态,保持滑行块(小车)的拉力不变,改变滑行块的质量,本实验每次在滑行块上加50g的配重块,用电脑数字计时器记录滑行块经过两光电门的时间(表2),计算它的加速度,画出加速度与质量倒数关系***如***2所示,探究加速度与质量倒数的关系。从***2中可知a与m成反比。

妙用二 用气垫导轨来探究功与速度变化关系

在《物理》新教材探究功与物体速度变化的关系的实验中,是采用小车在橡皮筋作用下在木板上滑行,用打点计时器测出小车获得的速度,作出W-v曲线来进行定量关系分析。这个实验的要点是调节木板的倾斜度,使小车重力沿木板斜面上的分力与小车所受的摩擦力平衡,这样小车只有橡皮筋的弹力做功来探究实验。但在实验操作过程中发现平衡摩擦力不是很容易做到的事,并且木板上每处的摩擦因数不可能完全相同,这都会给实验增加了误差。现用气垫导轨来探究功与速度变化关系。

(1)实验装置:气垫导轨放在水平面上,在滑行器与气垫导轨一端绑上细线,细线上打一小结,以便用回形针把它们钩住,拆开回形针(留一个钩)一端捆在橡皮筋上,另一钩钩住滑行器,橡皮筋另一端用回形针与气垫导轨端部相连。所用的橡皮筋要求长度相等,粗细均匀。在橡皮筋的自由长度附近装两个光电门,用数字计数器记录时间。

(2)原理分析:调节气垫导轨呈水平状态,此时滑行器受到重力,支持力与橡皮筋的弹力作用,气垫导轨呈水平状态时重力沿水平方向无分力,重力与支持力平衡,滑行器只受橡皮筋的弹力作用,打开气源,滑行器在轨道上的运动情况是:加速度在减小的加速运动,当橡皮筋恢复原长,弹力消失,滑行器做匀速运动,此时速度最大,这也是我们要测的速度。当在自由长度附近处的两光电门所记录时间一样时,所测得速度最准确。由于橡皮筋的弹力是变力,所作的功是变力功,不能用公式计算功的大小,但我们可用相同的橡皮筋不同根数并联来测定功与速度关系,

每次滑行器起启位置相同,记录下不同根数时挡光片经过光电门的时间(表3),计算所得速度。

(3)数据记录与Excel数据处理

(4)结果分析:从W-v***(***3),W-v2***(***4),W-v3***中(***5),我们不难发现,W-v与W-v3呈非线性关系,W-v2呈线性关系,所以W与v2成正比,即W∝v2。

在上面两实验中,采用气垫导轨与Excel数据处理相结合的方法。随着信息技术的发展,中学物理的实验手段在不断进步,运用“传感器”把物体在导轨上运动的位移、时间、速度转换成电信号,经过计算机的运算,还可以立刻在光屏上显示出运动状态,自动绘制***象。(编者注:读者可参阅本刊2006年度发表的介绍DIS实验技术的系列文章,可在2006年12期(上半月)61-62页本刊2006年度文章总目录中查询。)

气垫导轨在力学实验中有更多的用途,如验证动能定律,验证动量守恒定律等,极大地减少在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,易为学生接受。

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