在中学物理实验中的应用及注意事项

分析气垫导轨在中学物理实验中的应用及注意事项刘福鹤（物理系物理学专业，07级1班）摘要:气垫导轨是中学物理实验中常用的力学实验仪器之一，它极大地减少了由于摩擦引起的误差，使实验结果基本上接近理论值，提高了实验精度，实验现象真实直观，效果明显．本文即较全面地分析了气垫导轨在中学物理实验中的应用及介绍了相关注意事项，通过本文对气垫导轨的介绍，可了解气垫导轨在中学物理实验中的应用，掌握如何正确使用气垫导轨和使用的注意事项，从而为更好地利用气垫导轨开展相关物理实验作铺垫．关键词:气垫导轨；注意事项；物理实验1气垫导轨仪器介绍1.1气垫导轨概述气垫导轨(简称气轨)是一种现代化的、多用途的力学实验仪器．它利用气源将压缩空气送入导轨内腔．空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层．滑行器就浮在气垫层上，与轨面脱离接触，因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动，极大地减小了以往在力学实验中由于摩擦力引起的误差．使实验结果接近理论值．气垫导轨按其直线度是否可调分为普通式（不可调式）和可调式两种型式．该产品以轨面长度为主参数．主参数系列有800毫米、1200毫米、1500毫米和2000毫米四种，前两种规格适合中学物理实验使用．气垫导轨还可以按照其所需的工作压强和滑行器质量分为高气压、重滑行器及低气压、轻滑行器两类。前者性能好，但价格略高，后者性能稍差，价格较低．气垫导轨实验中的运动物体为滑行器（又称滑块），测量需要光电门和电脑计数器．滑行器上部有五条“T”形槽，可用螺钉和螺帽方便地在槽上固定光电门．下面的两条“T”形槽的中心正好通过滑行器的质心，在这两条槽的两端安装碰撞器或挂钩，可使滑行器在运动过程中所受外力通过质心．在这两条槽的中部加装配重块后滑行器的质心不会改变高度．1.2实验装置图及各个部分介绍气垫导轨装置图(1)(1)导轨：导轨是一根长度约为1.5m平直的铝管，截面呈三角形．一端封死，另一端装有进气口，可向管腔送入压缩空气．在铝管相邻的两个侧面上，钻有两排等距离的喷气小孔，当导轨上的小孔喷出空气时，在导轨表面与滑块之间形成一层很薄的“气垫”，滑块就浮起，它将在导轨上作近似无摩擦的运动．(2)滑块：滑块由长约20cm的角铝制成，其内表面和导轨的两个侧面均经过精密加工而严密吻合．根据实验需要，滑块两端可加装缓冲弹簧、尼龙搭扣（或橡皮泥），滑块上面可加装不同宽窄的遮光片．(3)光电门：它主要由小灯泡（或红外线发射管）和光电二极管组成，可在导轨上任意固定．它是利用光电二极管受光照和不受光照时的电压变化，产生电脉冲来控制计时器“计”“停”．光电门在导轨上的位置由它的定位标志指示．除此之外，在实验中还用到的主要仪器有计时计数测速仪、电子天平．计时计数测速仪采用国际流行的薄膜开关面板，微机处理及智能化技术．操作便捷，只需按四只操作键（转换、功能、取数、电磁铁）即可完成全部功能．与气垫导轨、自由落体仪配合使用，具有双路计时，计数功能．还没有数据存储运算功能，可直接显示实验中的速度，加速度值．1.3技术性能(1)导轨工作面的夹角：90°+0.1°．(2)导轨工作面的表面粗糙度：Ra3.2．(3)喷气孔孔径：0.8㎜．(4)滑行器浮高：在气体压强不小于5.8kPa，最大承载质量不小．于3倍滑行器质量条件下，不小于0.10㎜．(5)工作环境温度：0℃～40℃．(6)相对湿度：不大于85%（40℃）．(7)要求气源压强：不小于5.8kPa．1.4仪器特点、结构、配套(1)导轨是气垫导轨的主体，采用优质合金铝型材制成，轻便、机械强度高，特殊的结构设计更增加了它的机械强度，长期使用不会变形，出厂前由精密机加工保证了它的直线度．(2)导轨两端钢制堵板既坚固又可拆卸，便于清洗导轨内腔．(3)导轨两侧均可安装光电门,使用更方便．1.5使用、维护和保养须知(1)气垫导轨的附件比较多，安装前必须认真阅读一下说明书，认识每个附件的用途及安装位置．(2)气垫导轨应选用稳固、平整的实验桌，放置时先将调平架用两个螺钉紧固在导轨底部，安装滑轮的一端应伸出桌面，便于实验．另一端通过波纹软管与气源相接．在导轨支脚下面垫上垫脚，垫脚和调平螺钉的尖端放凹槽中．(3)滑轮安装在导轨前端的堵板上，使用前应调整轴尖并滴加少许钟表油，使滑轮转动灵活．(4)气源接通电源和导轨,使空气进入导轨的空腔后用手指贴在导轨的工作面逐个检查气孔是否畅通，如有被堵塞气孔，用φ0.5㎜的钢丝针清除堵塞物，务必使所有气孔畅通．否则极易使气源因过热而损坏．(5)每次实验前,要将导轨和滑行器的工作面用酒精棉球擦试干净．(6)有些实验滑行器要重复地从导轨上的同一位置开始运动，可用起始挡板定位．(7)滑行器的滑行速度以50㎝/S左右为宜．宜过大或过小．(8)作弹性碰撞实验时用弹射器。作完全非弹性碰撞实验时，将附件中的搭扣分别安装在两个滑行器上，碰撞时两个滑行器通过搭扣粘贴在一起运动．(9)导轨和滑行器在搬运及安装使用中严禁磕碰、受压和撞击。在通气前严禁用滑行器沿轨面滑动摩擦以防损伤工作面．(10)不要放置在潮湿或有腐蚀性气体的地方．1.5导轨的调平实验前必须将气垫导轨调整到水平状态．a.静态调平法：接通气源，滑行器置在导轨某处，用手轻轻地把滑行器压在导轨上，再轻轻地放开，如滑行器都向同一方向运动，表明导轨不平．仔细调节水平螺钉，直到滑行器在导轨任意位置上基本保持静止不动，或稍有滑动，但不总是向同一个方向滑动即可．一般要在导轨上选取几个位置做这样调节．b.动态调平法：将气轨与测速仪配合进行调平，接通电源，功能选择在“a加速度”档，两个光电门安装好间距不小于30cm，在导轨两端备装上弹射器，滑行器装上(如1cm)宽挡光片，给气轨通气，让滑行器以一定的速度从导轨的一号位向二号位运动,先后通过光电门G1和G2，计时器就分别计下了滑行器通过两个光电门的时间△t1和△t2．若△t1＞△t2，即滑行器通过G2的时间短，表明滑行器运动速度加快，导轨一号位高，若△t1＜△t2，表明滑行器做减速运动，导轨二号位高，细心调节水平调节螺钉，使△t1与△t2的时间差值尽量小，但由于受空气的粘滞阻力，很难做到△t1与△t2绝对相等．只要△t1比△t2稍微小些且（△t2-△t1）/△t11%,可视为已基本调平了．通过上述几点，我们可以了解到气垫导轨的组成、技术特性、仪器特点、使用及调平方法等一系列的知识．这些知识是做实验之前所必须了解知道的，并且能够正确、熟练地运用到实验过程中去的．既然知道了这些知识，那么，下面我们来了解一下，有关气垫导轨的实验以及在实验过程中需要注意的事项有哪些．2气垫导轨在中学物理教学中主要可作下列实验(1)测定匀速直线运动的速度,验证牛顿第一定律．(2)测定变速直线运动的平均速度、瞬时速度和加速度．(3)研究匀变速直线运动的路程和时间关系:232221321::::tttsss．(4)测定重力加速度．(5)验证牛顿第二定律和牛顿第三定律．(6)验证动量守恒定律和机械能守恒定律．(7)研究简谐振动的规律：(1)测定弹簧振子周期倔强系数K值；(2)验证简揩振动的周期关系KMT2；(3)验证简揩振动的振幅与周期无关．3气垫导轨使用注意事项(1)气孔不喷气时，不得将滑块放在导轨上，更不得将滑块在导轨上来回滑动．。(2)每次实验前，都要把气轨调到水平状态，包括纵向和横向水平．(3)气轨表面不允许有尘土污垢，使用前需用干净棉花蘸酒精将气轨表面和滑块内表面擦净．(4)接通气源后，须待导轨空腔内气压稳定、喷气流量均匀之后，再开始做实验．(5)导轨与滑块配合很严密，气轨表面和滑块内表面有良好的直线度、平面度和光洁度．所以，气轨表面和滑块内表面要防止磕碰、划伤和压弯．(6)在气垫导轨上做实验时，配合使用的附件很多，要注意将附件放在专用盒里，不要弄乱．轻质滑轮、挡光片以及一些塑料零件，要防止压弯、变形、折断．(7)不做实验时，导轨上不准放滑块和其它东西．气垫导轨在中学物理实验中应用广泛，几乎整个力学实验中，有关气垫导轨的实验占据了三分之一，这足以说明，气垫导轨在中学物理力学实验中的地位的重要性．所以，了解气垫导轨的实验方法，以及在实验过程中的注意事项是实验成功的重要前提。只有知道了这些，才能使实验成功，才能得出真实的结论．参考文献：[1]杨述武.普通物理实验(力学及热学部分).北京:高等教育出版社,2001:[2]气垫导轨.百度,=ala0_1．[3]气垫导轨的使用说明书.百度,．