力学专题试验研究Word文件下载.docx
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第一次挡光相当于开启停表（开始计时），第二次挡光相当于关闭停表（停止计时）。
但这种计时方式比手动停表所产生的系统误差要小得多，光电计时器显示的精度也比停表高得多。
如果预先确定了挡光片的宽度，即挡光片两翼的间距
，则可求得滑块经过光电门的速度
本实验中
光电计时器是以单片机为核心，配有相应的控制程序，具有计时1、计时2、碰撞、加速度、计数等多种功能。
“功能键”兼具“功能选择”和“复位”两种功能：
当光电门没遮过光，按此键选择新的功能；
当光电门遮过光，按此键则清除当前的数据（复位）。
转换键则可以在计时1和计时2之间交替翻查24个时间记录。
【仪器调节】
一．导轨的调平。
横向调平是借助于水平仪调节横向两个底角螺丝来完成；
纵向调平有静态调节和动态调节两种方法。
1．静态调节法
打开气泵给导轨通气，将滑块放在导轨上，观察滑块向哪一端移动，就说明那一端低。
调节导轨底脚螺丝直至滑块保持不动或者稍有滑动但无一定的方向性为止。
原则上，应把滑块放在导轨上几个不同的地方进行调节。
如果发现把滑块放在导轨上某点的两侧时，滑块都向该点滑动，则表明导轨本身不直，并在该点处下凹（这属于导轨的固有缺欠，本实验条件无法继续调整）。
这种方法只作为导轨的初步调平。
2．动态调节法
轻拨滑块使其在导轨上滑行，测出滑块通过两光电门的时间
和
，
相差较大则说明导轨不水平。
由于空气阻力的存在，即使导轨完全水平，滑块也是在做减速运动，即
，所以不必使二者相等。
二．检查并调节光电计时器。
分别将光电门1、2的导线插入计时器的P1、P2插口，打开电源开关，按功能键，使S指示灯亮。
让滑块经过光电门1，仪器应显示滑块经过距离
所需要的时间
，滑块再次经过光电门1时显示值变化，说明仪器显示工作正常。
同样检查光电门2是否工作正常。
然后按功能键，清除已存数据，再次按功能键开始功能转换，选相应的功能挡，准备正式测量。
【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。
实验一：
验证牛顿第二定律
本实验通过观察、测量及计算，得到物体的加速度与其质量及所受外力的关系，进而验证牛顿第二定律。
实验中采用气垫导轨和光电计时系统，使牛顿第二定律的定量研究获得较理想的结果。
【实验目的】
1．学习气垫导轨和光电计时器的调整方法。
2．验证牛顿第二定律。
3．学习在低摩擦情况下研究力学问题的方法。
【实验仪器】
气垫导轨、滑块、光电计时器、砝码。
【实验原理】
实验系统如图3.2.1-1所示，水平放置的质量为m2的滑块和质量为m1的砝码用一轻质细线通过半径为
定滑轮与相连，忽略滑块与气轨之间、滑轮与轴承之间的摩擦力以及细线的质量，且细线与滑轮之间无滑动。
图3.2.1-1
设滑轮C与滑块m2之间绳的张力为T2，滑轮C与砝码之间绳的张力为T1，滑块m2的加速度为a（图3.2.1-1）。
为滑轮的转动惯量为I，角加速度为β
综上有：
（3.2.1-1）
（3.2.1-2）
若不考虑滑轮的转动惯量I，则有
（3.2.1-3）
即此系统受到的合外力m1g等于系统总质量
与加速度
的乘积。
实验中滑块质量用天平称量，加速度a按下述方法测量：
在导轨上相距为S的两处安放两光电门K1和K2，测出运动系统在砝码的重力m1g作用下，滑块上挡光片经过两个光电门的时间间隔
，则系统加速度为：
（3.2.1-4）
，S由标尺读出。
【实验内容】
1．利用静态调平法调平导轨。
2．验证系统总质量m1+m2不变时，所受合外力F合和物体的加速度a成正比。
砝码盘上放置砝码若干，将滑块由静止释放，记录
，测量多次。
然后依次减少一个砝码转移到滑块上，并记录
直至减少到零个砝码为止。
3．验证当合外力F合一定时，系统的加速度a与总质量（m1+m2）成反比。
在砝码盘中放置砝码若干，并在滑块两侧对称地添加两个配重块。
按上述方法测出
再对称地添加四个配重块，再次测出
每种条件测量多次。
【数据处理】
1．根据式（3.2.1-4）计算各次测量的加速度值。
2．作F-a图和m-a图。
3．根据图形说明比例关系，验证牛顿第二定律。
【讨论与思考】
1．在验证牛顿第二定律时，为何将减去的砝码放在滑块上？
2．利用气轨设计一种测量重力加速度的方法，写出实验的步骤及计算公式。
（提示：
将气轨的一端垫高h）。
3．若考虑到各种因素，当滑块在气垫导轨上经过两光电门的时间完全相等时，是否可以认为导轨已真正处于水平状态？
为什么？
实验二：
验证动量守恒定律
动量守恒定律是自然界的一个普遍规律。
它揭示了通过物体间的相互作用，机械运动发生转移的规律。
本实验在近似无摩擦的气垫导轨上研究两个运动的滑行器的一维对心碰撞，分析不同种类的碰撞前后动量和动能的变化情况，从而验证动量守恒定律。
１．学习气垫导轨和光电计时器的调整方法。
２．验证动量守恒定律。
３．了解完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的特点。
气垫导轨、滑块、尼龙胶带、挡光片、光电计时器、砝码等。
实验装置如图3.2.2-1所示，在水平的气垫导轨上，若忽略滑块与导轨之间的磨擦力以及空气阻力，则滑块1与滑块2之间除在碰撞时受到相互作用的内力之外，水平方向上的合外力为零，则碰撞前后的总动量（x方向上）保持不变，即
（3.2.2-1）
式中，m1、m2分别为两个滑块的质量，
、
分别为两个滑块碰撞前和碰撞后的速度。
式中各速度的正负号取决于速度的方向与所选的坐标
的方向是否一致，相同取正，相反则取负。
图3.2.2-1
１．完全弹性碰撞。
对于完全弹性碰撞，它没有机械能损耗，根据机械能守恒定律有
（3.2.2-2）
由式（3.2.2-1）和式（3.2.2-2）可得
（3.2.2-3）
（3.2.2-4）
２．完全非弹性碰撞。
滑块作完全非弹性碰撞时有
，由动量守恒定律可得
（3.2.2-9）
若
，则有
（3.2.2-10）
2．弹性碰撞验证动量守恒定律。
（1）取质量相等的两个滑块（带有缓冲弹簧），滑块2停放在光电门K1和K2之间（靠近K2处）的导轨上静止不动，即
；
滑块1置于光电门K1外侧导轨上。
弹射滑块1使之与滑块2相碰，分别由光电门K1和K2测出碰撞前滑块1及碰撞后滑块2的速度，重复测量多次。
（2）将滑块1停放在K1和K2之间，使其初速度为零，将滑块2从K2的外侧以一定速度弹出与滑块1相碰，同样由光电计时器测出碰撞前滑块2及碰撞后滑块1的速度，重复测量多次。
（3）根据以上各次测量结果计算碰撞前后的动量，并作比较，验证动量守恒定律。
（4）用质量不同的滑块，重复上述实验，验证动量守恒定律。
3．完全非弹性碰撞验证动量守恒定律。
在质量相等的两滑块相碰的一端装上尼龙胶带。
重复步骤⑴和⑵。
根据所测数据，计算各次碰撞前后的动量，并作比较，验证动量守恒定律。
用质量不同的滑块，重复上述实验。
１．在实验中，为何先让滑块1去碰撞初速度为零的滑块2后，又让滑块2去碰撞初速度为零的滑块1进行测量？
２．如果碰撞后测得的动量总是小于碰撞前测得的动量，说明什么问题？
能否出现碰撞后测量的动量大于碰撞前测得的动量呢？
打点计时器
１．了解电磁打点计时器和电火花打点计时器的构造和工作原理
２．练习正确使用打点计时器
电磁打点计时器，电火花打点计时器
1.电磁打点计时器（如下图所示）
（1）实验原理
J0203型电磁打点计时器为磁电式结构，其构造如上图。
当线圈通以50Hz的交流电时，线圈产生的交变磁场使振动片（由弹簧钢制成）磁化，振动片的一端位于永久磁铁的磁场中。
由于振动片的磁极随着电流方向的改变而不断变化，在永久磁铁的磁场作用下，振动片将上下振动，其振动周期与线圈中的电流变化周期一致，即为0.02s。
如下图所示，振动片的一端装有打点针，当纸带从针尖下通过时。
便打上一系列点，相邻点之间对应的时间为0.02s。
5个间距对应的时间为0.10s。
这样，如果把纸带跟运动的物体连在一起，即由物体带动纸带一起运动，纸带上各点间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移。
如下图所示，测量两点间的位移Δx，由点之间的间隔数得到时间间隔Δt，然后由公式
计算得到物体在两点间的平均速度，从而了解物体的运动情况。
如果，所取两点间隔较小时，可用所得平均速度，代表两点间某点的瞬时速度。
（2）实验方法
固定好打点计时器，放好纸带，接通电源，先使打点计时器工作，再使纸带运动（用手拉动纸带）。
注意手不要抖动，让纸带平稳地开始运动。
待纸带全部通过后，随即切断电源。
取下纸带。
（3）注意事项
打点计时器使用前要注意检查电源是否符合要求（50Hz、9V），电源电压过高或过低会烧坏线圈或使打点效果不好。
2．电火花计时器
电火花计时器是一种新型的力学实验记时及动态信息记录用仪器，它能克服电磁打点计时器的不足，而成为目前中学物理力学实验中的一种新型计时实验仪器。
下面就该仪器的工作原理作一下介绍。
电火花计时器电路原理如右图所示。
当Ｓ１开关接通时，２２０Ｖ５０Ｈｚ交流电压的正半周通过二极管Ｄ１、Ｄ４及限流电阻Ｒ１对电容器Ｃ１进行充电，使电容器上电压达到交流电压的峰值３１０Ｖ；
在负半周时，通过二极管Ｄ３、Ｄ２，限流电阻Ｒ２及稳压管Ｄ５形成回路，稳压管Ｄ５的稳压电压为１０Ｖ，其作用是限制加到晶闸管触发极上的电压不致过高，晶闸管Ｄ６被触发，电容器Ｃ１上的电压通过高压变压器Ｔ初级线包，二极管Ｄ８及晶闸管Ｄ６迅速放电，于是在Ｔ的次级产生３．５～３．８ｋＶ的脉冲电压，经过放电针、墨粉纸盘在普通纸带上产生放电迹点。
电源频率的每一个周期放电一次，因电源频率为５０Ｈｚ，故两个放电迹点的时间间隔为２０ｍｓ。
高压脉冲也可以由接线柱引出，供电火花描迹仪及其他仪器使用。
电火花计时器采用高压脉冲计时，放电针与运动纸带是不接触的，因此避免了计时与纸带运动的相互干扰。
该仪器没有机械振动部分，可靠性好，整个电路部分密封在塑料盒中，高压脉冲电流小于0.2mA，安全性好。
若电路发生故障，应特别注意检查二极管Ｄ１～Ｄ４有无损坏，Ｃ１电容是否击穿；
也可用电阻表直接检测高压脉冲输出插孔两端，其阻值应约为３ｋΩ。
如测得的阻值很大，则说明高压变压器次级断路，应进行调换。
3.电火花计时器与电磁打点计时器的比较
这两种计时器的共同点是在纸带上记录运动物体的“时——空”分布信息，计时基准都是取自市电的周期，在我国每两个点之间的时间间隔为0．02秒，因而有相同的数据采集方法与数据整理分析方法，并可与斜面小车、轨道小车等配套使用，但在可靠性、准确性以及课时利用率等方面，则有很大的差别。
电火花计时器成功地克服了电磁打点计时器的缺点。
一、运动与计时互相干扰的排除
电磁打点计时器工作时，由市电经线圈引起磁场的周期变化，策动弹片带动打点针，在运动体拖动的纸带上，以50Hz频率打点，并产生了计时和运动间的相互干扰。
1．计时对运动干扰的排除
电磁打点计时器的打点针对运动中的纸带产生冲击和摩擦，干扰了纸带的运动，这在自由落体实验中尤为显著。
电火花计时器利用高压脉冲火花放电，放电针与纸带没有接触，因而不会干扰纸带运动。
2．排除运动对计时的干扰
电磁打点计时器的计时周期会受到纸带运动的干扰，对此我们进行以下分析和实验。
以振子向下打点过平衡位置的作为0相位，这样在纸带上打点时的相位将在/2附近稍小于/2的一点上，只要打点能保持在同一相位上，打点的20ms周期的等时性就能保证。
当纸带静止时，若电磁打点计时器调节适当，打点的等时性得到保证。
但是当纸带运动时，受到打点针冲击作用的纸带对振子也产生反作用，从而影响到打点时相位产生显著漂移，结果破坏了打点的等时性。
图1是检查电磁打点计时器等时性的电路原理图。
在电磁打点计时器上装一条传真原纸纸带代替电报纸带，或者用导电纸放在记录纸带的位置上。
在纸带静止时，调好电磁打点计时器的等时性。
R8型示波器接在线圈的两端，当纸带运动时，即可在示波器上看到打点相位的漂移，有时漂移可达2ms，这是因为电磁打点计时器打点针的振幅有2～3mm，在/2相位附近，打点针位移的变化，对打点相位漂移的影响最大。
电火花计时器的电路原理见图2，它也是用市电的周期变化策动的。
为了叙述方便，以经K流入的电流的起点为零相位，则当0～/2相位时市电对电容器C充电至310伏，/2~相位时电路阻断，在π相位后，电流经D2，R2，R3，进入可控硅BG，约到1.1π时，进入BG的电流增至使可控硅触发导通，引起C经脉冲变压器T的原边L1D6及BG放电并在副边L2上形成单向脉冲高压。
每次放电在1．1π附近的具体相位点，是由元件的性质决定的，它不受运动的干扰。
电火花计时器的技术指标规定其漂移小于50μs，即比电磁打点计时器的漂移小两个数量级。
二、操作性能的改善
1．减少调节，提高工作可靠性
使用电磁打点计时器时，对打点相位的调节，常常是一般师生难以掌握的技术难点；
对已调好的计时器，在使用中因随环境因素而改变，即使耗费大量时间与精力调节，也常常难以调好，从而降低了工作的可靠性，降低了实验的置信度和课时利用率。
使用电火花计时器时由于不需要上述调节，一般学生在2一5分钟内便能采集到实验数据，从而可以使学生的精力集中到控制实验现象产生的条件，以及研究分析运动规律上去。
2．安全性能的突破
电磁打点计时器在使用中是没有安全问题的。
电火花打点计时长期不能在教学中使用的关键之一是安全问题。
早期的电火花打点计时器、其记录灵敏度低下，依赖于电火花在白纸上烧孔，其电压大于6kV，电流达80mA，对人是有生命危险的。
后来用热敏纸，电压也大于6kV，电流为5至20mA，也是极不安全的。
我们采用的打点记录方法，是一种与电场描绘及传真记录相类似的微电流转印方法，其电压虽然高达3万伏，但电流控制在200μA以下，从而解决了使用电火花计时器时的安全问题。
三、实验成本
电磁打点计时器是一种低成本教学仪器，它的价格和实验消耗都比较低。
八十年代初，电火花计时器与电磁打点计时器之间的价格比在10∶1以上，材料消耗比在50∶1以上（前者用热敏纸时），经过长期研究改进，我们终于找到了图2所示的电路，在充电放电上都利用市电的相位信息，使电路大为简化，使两种产品的价格比低于2∶1。
由于电火花计时器不用低压电源（学生电源），而电磁打点计时器要用配套的学生电源，若将此项因素一并考虑，则上述的价格比就要倒过来了，因此，电火花计时器更便宜。
在材料的消耗方面，由于我们采用了合适的介质材料，火花放电的点迹经过放大转印到普通白纸上，因此比电磁打点计时器用的电报纸带价格更低，而且可以自制。
综上所述，可知新型的电火花计时器完全具备了替代电磁打点计时器的条件，适于在我国普及。
傅科摆
证明地球时刻在自西往东自转。
如图所示。
该实验被称为“最美丽的十大实验”之一。
证实地球自转的仪器，是法国物理学家傅科于1851年发明的。
地球自西向东绕着它的自转轴自转，同时在围绕太阳公转。
观察地球的自转效应并不难。
用未经扭曲过的尼龙钓鱼线，悬挂摆锤，在摆锤底部装有指针。
摆长从3米至30米皆可。
当摆静止时，在它下面的地面上，固定一张白卡片纸，上面画一条参考线。
把摆锤沿参考线的方向拉开，然后让它往返摆动。
几小时后，摆动平面就偏离了原来画的参考线．这是在摆锤下面的地面随着地球旋转产生的现象。
由于地球的自转，摆动平面的旋转方向，在北半球是顺时针的，在南半球是反时针的。
摆的旋转周期，在两极是24小时，在赤道上傅科摆不旋转。
在纬度40°
的地方，每小时旋转10°
弱，即在37小时内旋转一周。
显然摆线越长，摆锤越重，实验效果越好。
因为摆线长，摆幅就大。
周期也长，即便摆动不多几次（来回摆动一二次）也可以察觉到摆动平面的旋转、摆锤越重，摆动的能量越大，越能维持较长时间的自由摆动。
【实验操作】
1．将单摆拉开一定角度（不超过底盘限定的范围），使其在竖直面内摆动；
2．调节底盘上的定标尺，使其方向与单摆的摆动方向一致；
3．经过一段时间（大约1～2小时），观察单摆的摆动面与定标尺方向的夹角（大约10～20度）。
1.傅科摆放置的位置不同，摆动情况也不同。
在北半球时，摆动平面顺时针转动；
在南半球时，傅科摆摆动的情况如何？
在赤道上呢？
2.傅科摆的转动速度和地球的纬度有关系吗？
若有，有何关系呢？
锥体上滚轮演示装置
1．通过观察与思考双锥体沿斜面轨道上滚的现象，加深了解在重力场中，物体总是以降低重心、趋于稳定的规律。
2．说明物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势，同时说明物体势能和动能的相互转换。
如图所示：
椎体上滚仪。
锥体上滚仪
能量最低原理指出：
物体或系统的能量总是自然趋向最低状态。
实验中的锥体怎么从低处向高处滚动呢？
本实验导轨的低端两根导轨的间距小，锥体停在此处重心被抬高了；
相反，在高端两根导轨较为分开，锥体在此处下陷，重心实际上降低了。
实验现象仍然符合能量最低原理。
其核心在于刚体在重力场中的平衡问题，而自由运动的物体在重力的作用下总是平衡在重力势能极小的位置。
本实验演示锥体在斜双杠上自由滚动的现象，巧妙地利用锥体的形状，将支撑点在锥体轴线方向上的移动（横向）对锥体质心的影响同斜双杠的倾斜（纵向）对锥体质心的影响结合起来，当横向作用占主导时，甚至表现为出人意料的反常运动，即锥体会自动滚向斜双杠较高的一端。
具体分析如下：
首先看平衡（锥体质心保持水平）时锥体的位置，如图1。
AA1端较高，但AA1处两横杆向外测倾斜，较高的支撑有使锥体质心向上移的趋势，而支撑点较宽又使锥体因其中间粗两端细而使质心有向下移动的趋势，两种趋势互相抵消可使锥体在任何位置都处于平衡状态。
如果此时使AA1稍变宽或使BB1稍变窄，会使锥体在AA1端比在BB1端时质心位置更低，它将总往AA1（高端）滚动，从B端向A端看，如图2所示。
AA1端处于高宽端，BB1端处于低窄端，若支撑点遇锥面相切位置如图2所示，则当锥体滚动时，质心在水平面内运动，锥体处于平衡状态。
设BB1端固定，AA1端宽度一定，只调节其高度，则AA1端下降，将会出现由平衡状态上滚的现象。
AA1端至多下降到BB1端所在水平面上，不过此时滚动虽明显，但“往上”不明显。
故本实验装置高低宽窄布局要适度，使AA1端比平衡位置略低，锥体能自动滚动即可。
1.取其它一圆柱形物，置于导轨的高端，放手后自动滚落。
2.将双圆锥体置于导轨的高端，锥体静止不动。
3.将双圆锥体置于导轨的低端，松手后锥体便会自动的滚上这个斜坡，到达高端（即开口端）后停止。
1．试导出实现密度均匀的锥体上滚时，锥体顶角、导轨夹角、导轨宽窄端的高度差三者之间满足的关系；
2．将锥体正确放置于轨道上时（即锥体骑在轨道上且使其轴线垂直与两轨道的角平分线的状态），求锥体质心受到的沿轨道平面斜向上的力的大小；
3．若将锥体放置于轨道上略有倾斜（其轴线不垂直于两轨道角平分线）时，研究锥体的运动，并通过实验检验所得的结论。
弹性碰撞仪
【实验目的】：
1.演示等质量球的弹性碰撞过程，加深对动量原理的理解。
2.演示弹性碰撞时能量的最大传递。
3.使学生对弹性碰撞过程中的动量、能量变化过程有更清晰的理解。
【实验仪器】：
弹性碰撞仪
【实验原理】：
由动量守恒和能量守恒原理可知：
在理想情况下，完全弹性碰撞的物理过程满足动量守恒和能量守恒。
当两个等质量刚性球弹性正碰时，它们将交换速度。
多个小球碰撞时可以进行类似的分析。
事实上，由于小球间的碰撞并非理想的弹性碰撞，还是有能量损失的，故最后小球还是要静止下来。
【实验步骤】：
1．调整固定摆球的螺丝，尽量使摆球的中心处于同一直线上；
2．拉起最左边的一个摆球，释放，让其撞击其它的摆球，可以观察到最右侧的一个球立即摆起，其振幅几乎等于左边小球的摆幅；
3．同时拉起左侧的两个、三个或四个摆球，释放，让其撞击剩余的摆球，可观察到另一侧相同数目的摆球立即摆起，其摆幅几乎等于被拉起摆球的摆幅。
【注意事项】：
1．随时注意保持7个摆球的球心处
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