摘要: 使用气垫导轨可完成30个以上实验，但是在实际使用中，除了实验的精度有待于提高外，还有一些实际问题例如变质量问题、恒力问题、等速发射问题，使气轨实验的应用受到了限制。本文分别对这些问题进行分析，提出了相应的解决办法。

　　关键词:气垫导轨 变力 变质量 恒力 等速

　　0 引言

　　气垫导轨是物理实验不可缺少、利用率又很高的力学实验装置, 它是研究物体运动规律的一种比较精密的现代化的仪器。可以对多种力学物理量进行测定，对力学定律进行验证。人们应用它开发了不少实验 ,例如测定重力加速度 ,验证牛顿第二定律、动量守恒定律、动量矩守恒定律 ,研究谐振动规律、阻尼振动规律、受迫振动规律等。但在实验中也遇到了一些问题是实验的内容受到限制,下面就实验中常遇到的问题进行分析,并提出相应的解决办法,使气轨实验得以拓展.

　　1气轨实验中的变质量和变力问题

　　大学物理实验中，在气垫导轨上研究物体的运动情况都是在其质量不变的情况下进行的，实际中，往往遇到的是研究主体的质量不断减少(或增加)或者质量为时间的变数，而且物体在运动过程中受力也不一定是恒力，下面设计了一种实现变质量变力的物体运动方案，在实现变质量方面，通过调节载水装置使其在运动过程中释放出适量的水来实现质量的近似均匀的改变。在实现变力作用方面，则采用1条质量均匀的刚性粗绳，其质量与长度成正比变化，在运动过程中通过绳子长度的改变来达到作用力的改变，实验时，采用4个光电门，测量经过4个固定点时滑块的时间和速度，从而研究变质量物体在受变力作用下的位移与时间的关系、速度与时间关系。在力学理论基础上，推导出相关的运动规律方程，然后通过实验数据来进一步对运动方程进行验证。

　　实验装置主要由气垫导轨、载水装置、接水槽、挡光片、毫秒计数器、拉力绳和滑轮组成。载水瓶采用轻薄透明的塑料正六边形柱体水瓶，截去瓶子上端，在其下端靠底部安装可控水龙头，并以乳胶管引水流出。用2台毫秒计数器控制4个光电门，可以测量滑块经过4 个光电门的时间间隔和速度。在水瓶中装适量的水，在运动过程中保证水能均匀流出，从而使滑块、水瓶、水等组成的体系质量发生均匀变化。选用绳长为125.00CM，质量为7.28G，直径为3.00MM的粗细均匀的刚性尼龙绳。这样通过绳子质量与长度成正比的变化来实现对滑块系统的变力作用，原装的气垫轮不能托起粗绳，本实验把装有转动灵活滚球承轴的滑轮代替气垫轮，装在导轨右端，并使滑轮轮轴中心线与导轨棱线重合。

　　实验原理如图1所示。

　　图1 实验原理图

　　对法码、滑块、载水装置、水、拉力绳系统进行分析：假设拉力绳的线密度为λ，绳的总长为L0,则在 t 时刻，与砝码相连端绳长为L砝码的质量为 M ，滑块系统(包括滑块及水)的质量为M -ct 为单位时间内减少的平均质量，T为绳子的张力，根据牛顿第二定律对砝码与绳L进行分析，可得：

(1)

　　对滑块系统与绳L-L0进行分析，可得：

(2)

　　( 1 )式与 ( 2 )式相加得:

(3)

令，得到：

(4)

　　根据初始条件及(4)式可以解得位移与时间关系式：

(5)

　　对式(5)求导可得速度与时间关系式：

(6)

　　表1测量数据表 xi-x0/cm t/ms v/(cm.s-1) 21.80

　　41.80

　　61.80

　　81.80 1160.4

　　1491.6

　　1810.0

　　2064.6 48.58

　　67.35

　　82.86

　　96.12 选用绳的质量为7.28g，总长为125.00cm，线密度为0.05824g/cm,h0为7.50cm,水与载水瓶总重量为221.10g,砝码质量为30.00g,双缝挡光片的2次挡光距离是2.00cm,滑块的质量为267.98g(含绑在滑块上9.00cm长的绳)，单位时间内水减少的平均质量Δm=6.21g/s,重力加速度g=980cm/s2.按照实验步骤和方法进行实验，测量5次取平均值，测量数据如表1所示。

　　由实验测出系统所受到的总阻力后代入理论公式进行计算，得出的理论结果，根据表1的实验数据，作出 x-t和 v-t图如图2和图3所示

　　图2 x-t关系图

　　图3 v-t关系图

　　由上述实验的测定计算和理论分析得到：通过用滑块和载水瓶组成的变质量体系，利用气垫导轨与毫秒计测定其直线运动的相关数据是符合变质量物体在变力作用下的运动规律的，分别对x-t关系、v-t数据进行比较，其修正后理论数据与实验数据非常接近

　　2气轨实验中的恒力的问题

　　气垫导轨在力学实验的应用中有很多优点，但缺少一个可调的产生恒力的设备，例如在验证牛顿第二定律的实验中，如果作用在滑块上的是恒力，实验效果会好一些，误差也会小一些。

　　现对设备进行改装如图4所示，在气轨的一端垂直地装一电动机，电动机的转轴上连一盘形永久磁铁,四周有一槽的铅盘由球形轴承支撑着，分别连在气轨两端，这两个铅盘起到滑轮作用。在两滑轮上套一线绳，线上连一铁勾，用这个铁勾带动滑块运动。

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