动力导轨平台系列设计试验讲义

动力导轨平台 设计性实验讲义（草） 编写：封玲 物理教学实验中心 2011.3. 动力导轨平台系列设计实验 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 等实际问题中，所接触到的宏观物体的运动速度都远小于光速，经典动力学仍是解决实际工程问题的基础。动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。 动力学以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。 我们在动力导轨实验平台上可设计实验进行碰撞现象的研究、简谐振动的研究以及进行加速度、物体质量及导轨摩擦力等物理量的测量。 平台仪器 动力导轨装置（ME-9458）：导轨装置易于安装，可以精确调节到最小摩擦力，以适应做直线运动系列动力学实验。装置包括：1、弹射小车(ME-9430)，2、碰撞小车(ME-9454)，3、2.2m铝制导轨，4、水平调节脚架2个，5、可调挡板2个，6、带夹固定滑轮1个，7、磁铁缓冲器2个及其存储管，8、谐振弹簧3个，9、摩擦块1个，10、用于固定支撑棒的转轴杆夹1个，11、12平台仪器中英文说明及讲义，13、500g金属质量块2个、14、量角器1个。 力传感器(CI-6537)：力传感器实际上就是电阻应变片传感器，该传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成，弹性敏感元件在受力产生形变时，粘附在其表面的电阻应变片的电阻阻值也会发生变化，根据其阻值变化进而确定被测量的大小。该型号的力传感器输出电压范围-8 V ~ +8V，测量范围-50 N ~ +50 N，即-50 N的力能产生-8 V的电压输出，+50 N的力能产生 +8 V的电压输出，0电压则表示受力为0（一般将推力作为正值，拉力作为负值）。 力传感器安装支架(CI-6545)：用于支撑安装力传感器，便于导轨上各种条件下的受力测量。 运动传感器（CI-6742）：依据超声波脉冲遇到目标后声波反弹，探测其返回声波的原理，与PASCO计算机接口配套使用，可计算出目标的距离，根据距离与时间的测量，程序还可计算出目标的速度和加速度。 光电门（ME-9498A）：光电门也称为光电开关，利用狭窄的红外光束和快速的下降时间为计时提供精确的信号。当光门的光被挡住时，与光门相连的数字通道为0电压状态；光门透光时，与光门相连的数字通道为5V电压状态。光门传感器相当于一个数字毫秒计，它通过测量固定挡光宽度（S）和挡光时间(t)，从而可以得到该物体经过光门时的运动速度( )。 转动传感器（CI-6538）：它的核心是一个光学编码器，每转（360°）最多可采集1440个数据点。通过数据采集与处理软件可以设置每转采集数据点的个数，有360个数据点和1440个数据点（即分辨率为1°或360°）两种设置，旋转的方向同样可被感知。转动传感器最常用于测量物体的转动角度与转动位置。 加速度传感器（CI-6558）：与连接PASCO的计算机接口及其相关数据接口与处理软件，可以测量5倍于重力加速度的范围，根据加速度的方向，该传感器的输出分正和负，可在+5 g到-5g范围内变化。其精度为0.01 g （g =重力加速度， 9.8 m/s2)。 电子天平（FA2004N）：电子天平是外力作用于力传感器的信号经电子电路处理，以数字形式显示物体质量。该型号电子天平称量范围为0—200g，分度值为0.1mg。 配件：砝码若干、挂钩2个。 设计类实验项目 题目  物体运动的动力学规律研究 设计内容：设计实验方案研究物体运动的动力学问题：加速度与拉力关系或加速度与质量关系、斜面上物体运动加速度与倾角的关系、力的合成与分解、超重与失重等。 设计要求： 1、设计实验加深对牛顿第二定律的理解，在导轨上研究加速度与拉力的关系，或加速度与质量关系，； 2、使用多种测量方法测量斜面下滑物体的加速度，并讨论斜面倾角与加速度的关系； 3、根据共点力的合成符合力的平行四边形定则，设计实验研究力的合成与分解； 4、利用平台设备设计实验，观察超重与失重现象，探究产生超重与失重的原因。 题目 弹簧劲度系数K测量 设计内容：测量单根弹簧的劲度系数。 设计要求：设计方案与装置采用计算机实测技术测量单根弹簧的劲度系数。 提示：实验中应用不同力拉伸弹簧到不同的长度来确定，作出拉力F与拉伸长度L的F—L曲线，直线的斜率就等于劲度系数K。拉力测量可使用力传感器，弹簧拉伸长度测量可使用转动传感器。 拓展研究： 一般采用静态法对弹簧的劲度系数进行测量，即某一拉力下测其对应的伸长量。若使用动态的方法，拉伸量的变化速度对测量结果有何影响呢；测量各类耦合弹簧系统的合成劲度系数。如测量串联弹簧或并联弹簧的劲度系数K，并与单根弹簧的劲度系数k相比较，寻找K与k的关系。 参考文献： 题目  碰撞现象研究 设计内容：碰撞有完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞和非完全弹性碰撞之分，设计方案对小车各类碰撞现象进行研究。 设计要求： 1、测量小车碰撞过程中的动量与动能的情况，分析各类碰撞动量变化与动能变化的区别； 2、对小车碰撞前速度与该速度下小车的碰撞受力大小的进行测量，试讨论小车碰撞前的速度与碰撞时最大受力的关系； 3、试讨论哪些因素造成了实验数据与理想数据间的误差，并设计方案作定量测量。 拓展研究：测试研究材料的缓冲性能。 推荐研究范围： 首先提出材料缓冲性能的物理量表征，然后设计方案与步骤对表征物理量进行测量。同一材料，不同厚度，其缓冲性能的变化研究；同一材料，不同碰撞面积，其缓冲性能的变化研究；同一材料，不同碰撞速度，其缓冲性能的变化研究；相同条件下，不同材料缓冲性能的情况研究。 参考文献： 陈冷于，衬垫材料冲击特性测量数据的精度验证，南昌航空工业学院学报，NO.1，1995 张瑞，石现领，张旺华，钟菊花，测定材料的缓冲防震性能，物理实验，28（1），2008.1 题目  摩擦力的研究 设计内容：摩擦是怎样引起的？两个接触面在滑动时其界面发生了什么情况？早期的科学文献记载过很多这方面的研究。十五世纪中叶的达?芬奇不仅得出两条基本的摩擦定律，还得出了定量结果，即“任何摩擦物体的摩擦阻力都等于该物体重量的四分之一”，即摩擦系数为四分之一。“摩擦学”就是研究这一领域的专门科学，其定义是“研究作相对运动的相互作用表面及有关实践的一门科学技术。” 设计要求： 1、设计方案研究摩擦力与材料表面的关系，与材料重量的关系，与接触面的面积（或与材料的形状）的关系 * 题目  瞬时力的研究 设计内容：设计实验对各种瞬时力进行实测并观察分析其变化过程。例如对摩擦力、对碰撞过程中的受力、以及对材料绷断前后拉力变化等瞬时力的观察、实测与分析。 设计要求： 1、摩擦力有静摩擦力与滑动摩擦力之分，测量摩擦力由零到最大静摩擦力，然后开始滑动后的滑动摩擦力的变化过程；设计实验研究影响最大静摩擦力与滑动摩擦力的因素，如接触面性质、正压力等。实验中应注意保持接触面摩擦力的分布均匀。 2、实测碰撞瞬间冲力的变化，分析各类材料碰撞冲力的变化。 3、实测绳线等材料绷断前后拉力变化，分析各类材料延伸力的变化。实验中注意所用仪器设备的受力范围，避免损坏设备。 参考文献： 邹方云，用力传感器对摩擦力进行的实验研究，《教学仪器与实验》，2007，23（1） 设计内容  重力加速度测量 重力加速度的测量方法很多，如落球法、单摆法，或在导轨上由功能原理、力学方程等等方法进行重力加速度的测量，请大家充分发挥各自的想象力，设计一种方法进行重力加速度的测量。也可以设计2—3种方法，进行多种测量方法的比较。 设计要求： 1） 查找资料得到本地重力加速度标准值； 2） 采用一种方法设计完整测量方案和具体测量步骤； 3） 记录测量数据，处理后与标准值进行比较，计算相对误差； 4） 若采用多种方法测量，则对各方法进行比较分析。 题目  物质密度的测量 设计内容： 我们使用过物理天平进行过不溶于水的固体密度的测量，本实验中请设计方案使用电子天平对固体（不溶于水）或液体的密度进行精确测量。电子天平的精度与稳定性都优于物理天平，但电子天平的构造不同于物理天平，它不是双盘的机械结构天平，没有伸向外边的力臂和载物台，只有单盘下的力传感器，不能象物理天平那样直接测量到待测物体在纯净水中所受浮力的大小，所以需要改进一下传统的流体静力称衡法来测量物体的密度。 设计要求： 1、参照电子天平说明书，熟悉电子天平的正确调节与使用； 2、用电子天平测量固体密度或液体密度，设计实验方案，画出必要原理图，并给出密度测量公式； 3、列出操作步骤、完成数据测量，分析数据并进行处理； 4、将实验值与标准值进行比较，并给出实验结论。 参考文献： 唐文强，电子天平的新用法，《四川兵工学报》，2008，29（6） 马继成、吴师民、陆申龙，电子分析天平的工作原理及在实验中的应用，《物理实验》20（5）